类星体到底是什么样?人类观测星际的新技术

类星体到底是什么样?人类观测星际的新技术

类星体是由一个被热气体和尘埃包围的超大质量黑洞组成的天体。当这种物质通过一种称为吸积盘的结构被拉向黑洞时,能量以光的形式释放。这种带电粒子束的释放形式,称为射流。日前,天文学家研究出一种技术,使人类进一步地了解到类星体的存在方式。随着类星体周围热气体区域的旋转能够在空间上被解析,研究人员确定,这种热气体垂直于黑洞的射流运动,具有厚环的形状。

1963年,当24亿光年外的天文物体3C273第一次被探测到时,人类还以为这是一颗恒星。 但是随即天文学家发现这个天体与恒星有很大不同,它产生的辐射比一万亿颗恒星还多,而这个区域并不比太阳系大。像3C273这样的物体现在被称为类星体,可以理解为是大量星际热气体和尘埃通过盘状的结构进入超大质量的黑洞所形成的天体。在这一非凡发现后的55年,3C273再次成为人们关注的焦点。 一个由多国学者组成的合作系统(俄罗斯卫星Spektr-R上10米空间射电望远镜 西弗吉尼亚的格林班克望远镜、新墨西哥的超大阵列望远镜、德国的埃弗尔斯堡望远镜和波多黎各的阿雷西博天文台相结合)报告了关于类星体的最新观测结果 。

虽然,人类已经确认了类星体的存在,但对超大质量黑洞及其周围环境的结构尚不清楚。类星体能产生比它所在的整个星系还要多的能量。那么,供给黑洞的气体从何而来?产生的强烈辐射对黑洞周围的环境有什么影响?最新的观测结果为回答这些基本问题提供了一种方法。

确定类星体的结构是困难的,因为黑洞非常小,离地球又极其遥远,因此靠近黑洞的气体无法用望远镜直接成像。天文学家是依靠来自一个点的电磁辐射的特性来推断黑洞周围气体和尘埃的结构和动力系统。这些特性包括颜色、时间变异性、极化和相位-从给定位置产生的电磁波的偏移量等等。

在过去的30年里,人类对类星体黑洞附近气体的最好理解来自一种叫做混响映射的方法,它使用光的回声(类似于声音)来绘制黑洞附近的区域。 类星体结构中星际热气体在进入黑洞之前向四面八方发出光,其中一些是通过望远镜直接观测到的,另一些则照亮了周围的气体区域,天文学家称之为宽线区域。光学混响映射测量宽线区域直接对应自类星体盘状结构的光照亮周围所需的时间,这实际上是测量盘与周围气体之间的距离。 类似于蝙蝠如何利用回声定位来绘制一个黑暗的洞穴,天文学家们测量光的回声来描绘黑洞周围的热气体。

这次国际合作带来了一种替代技术,在空间上利用一种重力仪器来解析这种气体的运动。 该仪器是一种干涉仪,它将直径8米的四个近红外望远镜的光结合在一起,产生一个直径130米的虚拟“超级望远镜”。由于望远镜的空间分辨率取决于其观测镜面的大小,因此这个仪器的使用是成像能力上的一大进步。这次合作首次测量了3C273的直接光发射与宽线区域的光之间的位相偏移,从而首次在空间上解析了这种气体在远距离类星体中的运动。

研究小组在10微秒的尺度上观察到星际热气体的运行速度 -这一成就相当于从地球上看到月球上的一枚硬币。研究人员发现,这种气体以大尺度射流(一束带电粒子)的方式垂直于3C273 。结果表明,星际热气体是一个半径为0.12倍太阳系的厚环,围绕一个质量为太阳3亿倍的黑洞旋转。这些发现支持了以前对3C273结构图的估计,该估计表明,在距黑洞0.08-0.34天文单位的距离内,黑洞质量和引力束缚气体也是成正比的。

对天文学家来说,这项工作的意义在于:人类在观测类星体这样遥远的天体时,能够使用多种手段对观测结果进行验证,从而为今后更加深入的研究类星体提供更为坚实的基础。


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