科學家發現黑洞週期性吸積盤不穩定性的證據

【環球網科技綜合報道】7月7日消息，記者從中科院官網瞭解到，近期，中國科學院新疆天文台和上海天文台等組成的國際團隊通過對近鄰星系NGC4258星系核心的吸積盤脈澤開展空間VLBI觀測，發現存在週期性吸積盤不穩定性的證據。天文學家基於超高分辨率的VLBI技術觀測黑洞周圍氣體吸積盤的性質，以脈澤源作為示蹤天體，揭示了吸積盤中存在的磁流體動力學不穩定性，推進了對吸積盤動力學性質的理解。

據悉，相關研究成果發表在《自然·天文學》上。

科學家在宇宙中觀測到來自星際空間的類似激光器的受激輻射源，並將其稱為"天體脈澤"以區別於實驗室的激光器。目前已經觀測到水（H2O）、羥基（OH）、甲醇（CH3OH）、甲醛（H2CO）和一氧化硅（SiO）等分子的天體脈澤。科學家認為，宇宙中的超級水脈澤（H2O MegaMaser）可能來自像NGC4258這樣的活躍星系中心的大質量黑洞周圍的薄氣體盤或者噴流，但導致脈澤輻射放大的物理條件仍不清楚。脈澤發射區的結構十分複雜，最緻密的脈澤團塊嵌在吸積盤的最緻密的分子云團。脈澤能夠直接示蹤吸積盤的動力學，對黑洞等天體物理研究有較高價值，但開展該研究需要使用極高分辨率的觀測技術才能探測到其細節結構。

甚長基線干涉測量（VLBI）是天文學中最高分辨率的觀測技術，而脈澤和黑洞分別是VLBI天體物理研究的兩類傳統目標。視界事件望遠鏡（EHT）已經觀測到黑洞周邊輻射區域，但是地面VLBI陣列在觀測星系核中的超級脈澤時仍面臨分辨率不足的挑戰。為此，天文學家發展了空間VLBI，進一步提高分辨率。

據介紹，自2014年，團隊在3年多的時間裏利用俄羅斯發射到空間的RadioAstron天文台以及地面大型射電望遠鏡組成的空地VLBI網，對一個距離地球約2100萬光年名為NGC4258的漩渦星系開展了多次觀測，最長的空地基線高達250,000公里（相當於約20倍地球直徑），角分辨率達到11微角秒，是迄今最高分辨率的記錄。在高分辨率下，科學家能夠分辨出吸積盤中尺寸約60倍天文單位（1個天文單位是地球到太陽的距離，即149,598,000千米）的緻密雲團。觀測發現，有脈澤輻射的雲團分佈在一個半徑約為0.38光年的薄氣體盤構成的吸積盤內，並隨着氣體盤的旋轉而運動，幾個雲團距離星系中心的黑洞約170天文單位。當氣體盤中含有水分子的氣團漂移到射電噴流前面時，噴流為脈澤放大提供了背景輸入光子，從而使得水分子受激放大而產生強大的水脈澤輻射。

觀測顯示，幾個脈澤氣體團塊的速度呈現出有規律差異，其速度和強度隨時間而變化。科研人員認為，這些緻密脈澤雲團的形成和動力學性質與吸積盤中發生的週期性磁旋轉不穩定性有關。吸積盤中的校差旋轉會驅動產生剪切不穩定性，吸積盤通過這種湍流的不穩定性調節徑向動量傳遞和粘滯性。該過程可能與黑洞對周圍氣體的吸積直接相關，空間VLBI觀測為探測黑洞周圍氣體吸積盤提供了超高分辨率，並通過使用脈澤作為媒介，揭示了吸積盤中存在的磁流體動力學不穩定性，推進了對吸積盤的動力學性質和黑洞吸積過程的理解。

觀測表明，NGC4258吸積盤中存在着滿足放大水分子譜線的物理條件的區域，磁旋轉不穩定性是產生這些高密度區域的機制。MRI過程與造成徑向動量轉移的粘滯和湍流相聯繫，未來研究將探索剪切不穩定性如何促進或驅動黑洞吸積。