科學家首次目睹超大黑洞吞噬氣體(圖)

2011-08-31 21:52

這張星系NGC 3115的合成圖像結合了美國宇航局錢德拉X射線空間望遠鏡和歐洲南方天文臺甚大望遠鏡（VLT）拍攝的光學波段數據。利用錢德拉的數據，科學家們首次目睹高溫氣體流向黑洞的過程。(網路圖片)

根據一項最新研究結果，一個超大質量黑洞吞噬周遭炙熱氣體的場景第一次在X波段被清晰觀測地收入眼底。

黑洞通過吞噬周遭的物質而迅速成長。當氣體物質在強大的引力下滑向黑洞時產生劇烈的輻射，而正是這些X波段的劇烈輻射讓科學家們得以目睹這一切的發生，並加深我們對於黑洞吞噬行為，以及物質在這種極端情形下如何表現的理解。

美國宇航局的錢德拉X射線空間望遠鏡對星系NGC 3115核心的超大質量黑洞進行了詳細觀測，這一星系距離地球約3200萬光年。之前已經有大量數據證明這裡存在一個超大質量黑洞，並正大肆吞噬周遭的物質。但是這一次的觀測清晰度前所未有，首次清晰顯示出下落的炙熱氣體發出的輻射。

「首次找到清晰的證據證明這裡有大量的炙熱氣體正被黑洞吞噬非常令人興奮，」來自亞拉巴馬大學的王凱瑋(Ka-Wah Wong，音譯)說。「錢德拉塞卡望遠鏡的超高解析度為我們提供了一個獨特的機會，得以讓我們加深對黑洞吞噬周遭物質行為的理解。」

王博士是這一有關黑洞行為的研究論文的第一作者，他們的論文已經發表在7月20日出版的《天體物理學快報》上。

氣體流

通過拍攝距離黑洞不同距離上的高溫氣體圖像，科學家們可以計算出一個臨界位置，在這一位置以內，氣體主要受黑洞引力場的影響並開始下落。這一臨界值被稱為「邦迪半徑」(Bondi radius)。

當氣體高速下落，由於摩擦和擠壓，氣體的溫度會急劇上升，這是已經為X射線波段的觀測所證實的。科學家們此次發現這些氣體的溫度在距離黑洞大約700光年處開始上升，這暗示此處便是邦迪半徑的臨界區。

這次的錢德拉望遠鏡觀測數據也證實了之前的光學觀測數據，即星系NGC 3115中央的黑洞質量約為20億倍太陽質量。這使其成為距離地球最近的此類超大質量黑洞。

研究人員表示，錢德拉的數據顯示靠近黑洞區域的氣體密度要比遠處高，這符合理論預計。結合觀測數據和理論推算，天文學家計算出每年大約有相當於太陽質量2%的氣體物質在引力作用下越過邦迪半徑並最終陷入黑洞。

異常的黯淡

但是這次的觀測也發現了一些難以理解的謎團。考慮到有巨量的能量轉化為輻射，研究小組認為NGC 3115核心區域的實際亮度比理論計算暗了大約100萬倍。

論文合著者，同樣來自亞拉巴馬大學的吉米·埃爾文(Jimmy Irwin)說：「天體物理學中一個大謎團就是超大質量黑洞周圍怎麼會如此之暗。要知道這裡被吞噬物質正被劇烈擠壓和摩擦，應當有大量的輻射發出。這次觀測的黑洞正是這一問題的典型案例。」

目前有幾種理論來解釋這一問題。一種理論認為儘管很多物質在引力作用下越過了邦迪半徑，但真正落入黑洞的物質的量要比這少得多。另一種理論認為在黑洞吞噬物質的過程中能量轉化為輻射的效率要比我們之前預計的低得多。

不同的理論模型對於氣體下落過程中不同距離上的物質密度上升情況會有不同的計算結果。因此未來更加精確的密度觀測數據將最終幫助科學家們判斷究竟哪些理論是正確的。