黑洞吸積盤邊緣的小小原子，解決了大問題_風聞

9 月 5 日，來自中國極地研究中心、中國科技大學和中科院國家天文台等研究機構的研究人員組成的聯合團隊在《自然》雜誌發表了一項新發現：他們在類星體中心黑洞的吸積盤邊緣發現了一些氫氦氣體原子。

它們紅移的吸收光譜顯示，這些質量數十倍於太陽的“冷”氣體正以相當於自由落體的速度墜入吸積盤。這些小小原子的發現，為錨定黑洞吸積模型的最後一塊拼圖提供了確鑿的觀測證據。

圖示為藝術家想象中的 ULAS J1120+0641，迄今發現距地球最為遙遠的類星體

圖片作者：ESO/M. Kornmesser

圖片來源：https://www.eso.org/public/images/eso1122a/

該圖版權由CC BY 4.0 （https://creativecommons.org/licenses/by/4.0）獲得

上世紀50～60年代，天文學家發現了一些奇特的天體——類星體。它們在望遠鏡中只是一個光點，看上去和恆星類似，但光譜測量表明它們有很大的紅移，而且光度驚人，暗示着它們具有巨大的能量。這些能量的來源在當時難以解釋，直到70 年代學術界才認識到類星體並不是“星星”，而是中心活躍着大質量黑洞的活動星系核。

正是中心黑洞吞噬物質的過程為它們提供了能量：被吞噬的物質在落入黑洞的過程中引力勢能轉化為巨大的動能，被加速到接近光速，同時被氣化、電離為等離子體，形成一個圍繞黑洞的吸積盤，放射出強烈的光學、紫外和X 射線。

這個過程中，有大約 4%到 42%的物質以極高的轉換效率轉化為能量，釋放出難以想象的巨大能量。餘下的部分物質抵達黑洞視界，最後被黑洞吞噬。這個被稱為 “黑洞吸積”的模型成功解釋了類星體觀測中的很多現象，逐漸被接受為類星體的標準模型。

黑洞吸積模型的“最後一塊拼圖”

不過這個標準模型並不完整，還缺少一個重要“部件”。天文學家相信，應該有大量物質被吸向黑洞，為吸積盤補充燃料，但是這些直接落向吸積盤的物質—— “內流”，卻從未被觀測到。

藝術家對類星體黑洞吸積模型的演繹：黑洞猶如一條飢餓的巨龍，不斷吞噬氣息所及的所有物質。

圖片作者：中國科技大學 崔劼

對這個區域進行直接觀測存在很大的困難。“類星體距離我們十分遙遠，觀測上看起來就是一個點源，無法直接分辨出各個成分。”論文的第一作者、中國極地研究中心和中國科技大學的周宏巖教授解釋説。“傳統的方法觀測到的發射線是類星體核區各個方向的所有氣體發射貢獻的總和，難以判斷氣體的運動情況。”他補充道。

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所以我們很難從這些物質發射的信號判斷它們到底是不是在落向吸積盤，以及是如何落向吸積盤的，也就很難直接觀測到物質由外向內流向吸積盤的過程。

暴露身份的“指紋”

聯合團隊轉變了思路，轉而分析類星體的吸收光譜，試圖尋找還沒有被電離的氣體原子產生的吸收譜線。找到這些特徵吸收譜線，就可能還原吸積盤外部運動的物質的軌跡。

 “以前大家沒有意識到在離黑洞那麼近的地方會有這麼‘冷’，居然還會有原子形態的氣體（原子氫和氦）。”論文合作者之一、國家天文台袁為民研究員解釋説。“一般認為那裏的氫和氦已經被電離了，是等離子體，所以沒有關注它們的特徵譜線。”然而研究團隊的計算表明，在那裏應該仍有部分氫氦氣體保留着原子形態。

吸積盤明亮的高能輻射穿透這些氣體向地球方向傳播的時候，能量可以被這些原子的電子吸收，在光譜中留下以固定間隔規律分佈的一系列吸收線，從而為追溯氣體流向提供示蹤標記。這些被吸積的氣體暴露的“指紋”有一定幾率可以被觀測到。

研究團隊在幾年前就開始通過分析大樣本類星體光譜尋找這些吸收線的蹤跡。在搜尋了超過10萬條光譜後，果然發現其中8個類星體的光譜存在着純粹紅移的氫氦寬吸收線，終於首次獲得了直接流向黑洞吸積盤氣體的確鑿觀測證據。

“這些吸收譜線紅移到了更長的波長，説明留下這些譜線的氣體正在朝向黑洞的中心高速移動，這將它們與沒有落入黑洞勢力範圍的星際物質區別開來。”周宏巖説。“這些吸收譜線的紅移體現的是氫氦原子落向黑洞中心的徑向速度，而不是環繞黑洞運動的線速度。”袁為民強調道。

紅移在每秒0公里直至5,000公里的速度範圍內一直存在，唯一的解釋是這些氫氦氣體在以接近自由落體的速度向黑洞運動。通過理論計算並與測量到的吸收線性質相比較，可以確定這些氣體位於吸積盤邊界之外不遠的區域。由於具有接近自由落體的向心運動速度，加上黑洞的強大引力，這些氣體別無選擇，只能流向黑洞和吸積盤。

這是首次從觀測上尋找到為黑洞吸積盤補充吸積燃料的物質，從而為整個類星體的黑洞吸積模型找到了最後一塊拼圖。

未解之謎

不過，黑洞吸積的“終極問題”仍然沒有解決。

之前科學家就已經發現，類星體的輻射強度等指標隨時間發生着變化，可能和黑洞吸積盤的物質供應變化有關。據此推斷，類星體的能源供應是不可持續的——它們所“寄生”的星系裏，落入中心黑洞引力範圍內的物質被吞噬殆盡之後，吸積可能就停止了，星系進入靜默休眠的狀態。

比如銀河系中心的黑洞就是靜默的。據此科學家推測可能所有的星系中心都存在黑洞，也都經歷了吸積的激烈過程，只是在一段時間之後，有的星系中心黑洞的吸積停止了，進入相對穩定的狀態。在某些情況下，星系中心蟄伏的黑洞可能會被重新激活，吸積的過程重新開始，吸積盤重新被“點亮”，從而形成一個活動的星系核。但是具體在哪些情形下星系中心的黑洞會被重新喚醒呢？科學家仍然在尋找答案。

“在靜默的星系裏，黑洞周圍的物質和黑洞的關係達到一種微妙的平衡。在離黑洞一定距離內繞着它運動的物質本身具有角動量，因而可以抗衡黑洞的引力，不會掉入黑洞的魔掌。但當它失去足夠角動量的時候，它的命運就改變了。但是在什麼情況下這些物質會失去足夠的角動量，這個‘邊界條件’我們還不清楚。”袁為民説。“所以這個發現並不意味着問題的徹底解決；它僅僅是打開了一個新的窗口，使得天文學家可以進一步研究星系中心黑洞是如何開始觸發活動、如何增長和演化的。”

作者簡介

宋健蘭，中國科學院院刊英文版(Bulletin of the Chinese Academy of Sciences, BCAS)副編審，從事科學傳播工作多年。