太空有個“甜甜圈”

呆阿明

20世紀70年代，天文學家就認識到多數大型星系的中心都存在一個超大質量黑洞，其周圍的氣體和其他物質不斷被吸進黑洞中，形成釋放明亮光線的環狀結構，甚至能夠產生巨大的能量。這些黑洞也被稱為“活躍星系核”。

盡管這種環狀結構的假設已經存在了幾十年，但是直到最近，天文學家才首次直接觀測到這種結構。這種神奇的現象能幫助人類揭示宇宙中的哪些奧秘呢？

在星系中發現“甜甜圈”

“活躍星系核”是天文學家使用的統一模型，用來描述攝食黑洞周圍的結構。為了解釋活躍星系核的各種觀測特征，天文學家已假設活躍超大質量黑洞周圍存在圓圈狀的灰塵氣體旋轉結構，然而灰塵氣體環狀結構從外觀上來看是非常微小的。

不過，在智利ALMA射電望遠鏡的幫助下，天文學家首次在超大質量黑洞的周圍發現了這種環狀結構——一個旋轉的灰塵環，它由環繞黑洞的氣體和塵埃組成。此次的觀測目標是螺旋星系M77中心，M77星系位于鯨魚星座，距離地球4700萬光年。螺旋星系屬于河外星系，是由大量氣體、塵埃和又熱又亮的恒星所形成，有旋臂結構的扁平狀星系。螺旋星系的螺旋形狀最早是在1845年觀測獵犬座星系M51時發現的。

M77星系中心的活躍在黑洞周圍的緊密氣體云團直徑達40光年，乍一看就像飄浮在宇宙中巨大的“甜甜圈”。但與龐大的M77星系相比，超大質量黑洞周圍的“甜甜圈”就顯得非常小。

知識鏈接

阿塔卡馬大型毫米波陣列

“阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波天線陣列望遠鏡”英文名稱縮寫為ALMA，始建于2002年，建設地是智利北部海拔5000米的阿塔卡馬沙漠。之所以將這一大型科學設備建設在智利境內，是因為這里是全世界僅存的幾處海拔很高，并且大氣濕度很低，同時沒有受到人類光污染影響的觀測地點之一。ALMA對于干燥空氣的要求尤其敏感，因為潮濕的大氣會吸收這一設備觀測波段的無線電波。

ALMA是由66個拋物面天線組成的巨大的射電望遠鏡，擁有0.01弧秒的分辨率，相當于能看清500多千米外的一枚硬幣，其視力超過哈勃太空望遠鏡10倍。ALMA主要用于獲得有關星系和行星演變的數據，尋找新天體以及探尋宇宙中是否存在能進化成生命的物質。

世界部分毫米波陣列及海拔高度

日本野邊山1350米

美國甚大陣2124米

智利拉西亞2400米

美國凱克4145米

智利阿塔卡馬5058米

“甜甜圈”會旋轉

天文學家發現，“甜甜圈”并沒有完全按照黑洞的引力旋轉;相反，它的運動具有高度的隨機性。原來，通過ALMA射電望遠鏡觀測分析，天文學家能夠發現“甜甜圈”中的物質出現了多普勒頻移效應，即一些物質遠離地球，一些物質朝向地球，這是發生旋轉的一個明顯標志。

這個明顯的標志也帶來了額外的復雜性，因為“甜甜圈”一定程度上能按照預期方式進行旋轉，但是它具有一定的不對稱性，其中部分結構發生旋轉并具有方向隨意性的特征。天文學家認為，這可能是一個顛覆性的跡象：該星系曾與另一個較小的星系發生過碰撞并且合并。

不過，要確定星系及其活躍星系核的歷史，仍需要進行更多的工作。當前最新研究首次觀測的旋轉環狀結構，是研究星系和超大質量黑洞的一個重要環節。

知識鏈接

多普勒頻移

“多普勒頻移”是物理學術名詞，意指物體輻射的波長因為波源和觀測者的相對運動而產生變化。舉個例子，當你站在公路旁，留意一輛快速行駛的汽車的引擎聲音，你會發現在它向你行駛時，聲音的音調會變高（即頻率變高）;在它離你而去時，音調會變得低些（即頻率變低）。

釋放能量

許多活躍星系核都沿著旋轉軸噴射物質流，然而關于釋放物質流的機制原理以及何種物質構成噴射流，天文學家對此了解甚少。不過，天文學家認為，當物質流向太空噴射時，黑洞可能損失旋轉的動能。

然而，要想證實這一點，天文學家需要測量黑洞失去多少旋轉能量，但這是非常困難的。不過，一項最新的模型提供了解決的辦法：通過測量噴射流磁場，然后結合需要驅動噴射流的旋轉動能數量，就可以評估出旋轉能量損失了多少。

盡管天文學家對超大質量黑洞的研究較多，但這一項研究依舊非常具有挑戰性。不僅是因為離地球最近的超大質量黑洞相對比較安靜，只有少量的氣體被它吸進，而且由于它位于星系的中心。在那里，塵埃、氣體和恒星之間的相互作用使它變得模糊。但我們相信，隨著時間的推移以及天文學儀器的進步，天文學家最終能揭示這些巨大的黑洞和它們的環狀結構，以及如何與它們的星系共存。