通過計算機模擬和阿塔卡馬大毫米/亞毫米陣列(ALMA)的新觀測，研究人員發現，活躍的超大質量黑洞周圍的氣體環並不是簡單的環形。相反從中心排出的氣體與下落的氣體相互作用，形成一個動態的循環模式，類似於城市公園的噴泉。大多數星系的中心都有一個超大質量黑洞，其質量是太陽的數百萬或數十億倍。其中一些黑洞非常活躍地吞噬物質。但天文學家認為，物質不是直接落入黑洞，而是在活躍的黑洞周圍聚集，形成一個環狀結構。日本國家天文臺(NAOJ)的研究員Takuma Izumi領導了一個天文學家團隊
阿爾瑪圖像的氣體周圍的超大質量黑洞在中心的環狀星系，CO分子氣體和C原子氣體的分佈分別用橙色和青色表示。圖片：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Izumi et al.
博科園-科學科普：他們利用ALMA觀測了位於離地球1400萬光年的環狀星系中的超大質量黑洞。研究小組隨後將他們的觀測結果與計算機模擬的氣體墜入黑洞的過程進行了比較，該模擬是由NAOJ公司的Cray XC30 ATERUI超級計算機完成。這種比較表明，假定的“甜甜圈”實際上並不是一個剛性結構，而是一個高度動態的氣體組分的複雜集合。首先向黑洞下落的冷分子氣體在旋轉平面附近形成一個圓盤。當它接近黑洞時，氣體被加熱，直到分子分解成組成原子和離子。這些原子中的一些會在圓盤的上方和下方被排出，而不是被黑洞吸收。
這是一幅藝術家對環狀星系中心超大質量黑洞周圍氣體運動的描繪，這三種氣體成分構成了長期理論化的“甜甜圈”結構:(1)一個由進入的緻密冷分子氣體組成的圓盤，(2)流出的熱原子氣體，以及(3)返回圓盤的氣體。圖片：NAOJ
這種高溫原子氣體落回到圓盤上，形成了一個湍流的三維結構。這三個部件不斷循環，就像城市公園裡的噴泉。日本鹿島大學(Kagoshima University)的理論學者和田圭一(Keiichi Wada)解釋說：以前的理論模型設定了剛性甜甜圈的先驗假設，模擬並非從假設出發，而是從物理方程出發，首次表明氣體環流自然形成一個甜甜圈，模擬還可以解釋該系統的各種觀測特徵。通過研究ALMA冷分子氣體和熱原子氣體的運動和分佈，證明了活躍黑洞周圍所謂‘甜甜圈’結構的起源，基於這個發現，我們需要重寫天文學教科書。
用NAOJ的超級計算機ATERUI模擬了一個超大質量黑洞周圍氣體的橫截面，不同的顏色代表氣體的密度，箭頭代表氣體的運動。它清楚地顯示了形成“甜甜圈”結構的三種氣體成分。圖片：Wada et al.
博科園-科學科普｜參考期刊文獻 :《天體物理學》
研究/來自：日本國家天文臺
DOI: 10.3847/1538-4357/aae20b
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