首次看清超大質量活躍黑洞周圍甜甜圈結構

日前，位於智利北部阿塔卡瑪沙漠的大型毫米亞毫米波陣列（ALMA）以其超高的解析度，拍到了一個活躍的超大質量黑洞周圍酷似甜甜圈的環狀物。這類旋轉結構早在幾十年前就被第一次提出過，不過這次是有史以來第一次被如此明確地觀測到。這被認為是人類認識超大質量黑洞及其宿主星系如何共同演化的非常重要的一步。

圖為棒旋星系M77的中心區域。哈勃望遠鏡拍攝到了星系中恆星的分布，ALMA則揭示了星系核心區域氣體的分布——它拍到了半徑700光年的馬蹄狀結構以及半徑約為20光年的緊密環狀結構。（來源： ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Imanishi et al., NASA/ESA Hubble Space Telescope and A. van der Hoeven）

現在認為幾乎所有星系的核心都隱藏著一個巨大的黑洞。研究者們很早就知道，星系的質量越大，核心黑洞的質量也越大——這聽上去非常合理的。但是宿主星系的質量通常要比核心黑洞大上百億倍，這兩個在尺度上迥然不同的物體想要直接相互影響應該是十分困難的，並且，二者之間的關係將如何往下發展呢？為解決這個撲朔迷離的問題，一組天文學家利用ALMA的高解析度觀測了棒旋星系M77的核心。M77的中心區域是一個活動星系核，英文縮寫為AGN（active galactic nucleus），周圍的物質正在迅猛掉入核心超大質量黑洞並發出強光。活動星系核還能極大地影響周圍的環境，因此他們是解決星系與黑洞共同演化之謎的關鍵角色。

圖為M77星系核心超大質量黑洞周圍的氣體運動。朝向我們運動的氣體被標為藍色（藍移），遠離我們的被標為紅色（紅移）。氣體正以黑洞為中心旋轉。（來源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Imanishi et al.）

研究小組拍攝了M77星系超大質量黑洞的周圍區域，解析出一個半徑約20光年的緊密的氣態結構。不出所料，天文學家發現這個緊密的結構正在圍繞黑洞旋轉。他們在2月份《天體物理學研究通訊》雜誌上發表了研究成果。論文第一作者，日本國家天文台的今西雅俊（Masatoshi Imanishi）說：「為解釋活動星系核各種被觀測到的特徵，天文學家們設想了一種在活躍的超大質量黑洞周圍旋轉的甜甜圈狀的氣體塵埃結構，這被稱為活動星系核的『統一模型』。然而，由於星系距離遙遠，這個甜甜圈在外觀上太微小了。藉助ALMA的高解析度，現在我們可以直接看見它的結構。」許多天文學家之前都觀測過M77星系的核心，但這個存在於理論模型中的高速旋轉的甜甜圈卻從未被看得如此清楚。除了ALMA出眾的解析度之外，選擇觀察合適的分子發射譜線也是揭示此種結構的關鍵所在。研究小組觀測了來自氰化氫分子（HCN）和甲醯基離子（HCO+）的特徵譜線，這些分子只有在稠密的氣體中才會有射電波段輻射。可想而知，這種活動星系核周圍的環狀結構應該是非常密集的。

ALMA拍攝的環繞活動星系核的氣體環狀物，紅色表示甲醯基離子（HCO+）的發射譜，綠色表示氰化氫（HCN）的發射譜。（來源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Imanishi et al.）

此前的觀測表明，這個氣體塵埃環是東西方向延伸的，對ALMA的數據分析也顯示實際情況與預期的高度吻合。有趣的是，超大質量黑洞周圍的氣體分布遠比一個簡單的統一模型所預言的要複雜得多。這個環狀結構並不是對稱的，而且它的旋轉也不僅僅是跟著黑洞的引力走——它還同時存在高度隨機的運動狀態。這些事實表明這個活動星系核可能有過一段動蕩的歷史，或許和一個質量較小的星系發生過合併。

圖為活躍的超大質量黑洞周圍的氣體塵埃環狀結構的藝術想像圖。ALMA第一次如此清晰的對這個環狀物的旋轉進行了成像。（來源： ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)）

無論如何，對這個旋轉的環狀結構新的認知是一個重要的進步。我們居住的銀河系中心也有一個超大質量黑洞（約為400萬倍太陽質量），然而這個黑洞卻處在非常寧靜的狀態中，只有少量的氣體正在被吸入其中。因此，要想深入細緻的研究活動星系核，天文學家們必須觀測遠距離的星系核心。M77距離我們約4700萬光年，其核心是最近的活動星系核之一，因此它是一個非常不錯的研究樣本。

原文標題：Rotating Dusty Gaseous Donut around an Active Supermassive Black Hole

編譯：Feihong Ling

審稿：水兄

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