终于弄清楚了！ 超巨黑洞生长机制与银河中心物质循环以国立天文台的泉拓磨助教为中心的国际研究小组，使用阿尔玛望远镜，以约1光年的非常高的分辨率观测附近宇宙中的指南针座银河，在超巨大黑洞周边仅仅几光年的空间尺度上定量测量气体流及其结构，这是世界上所有等离子原子分子的相 其结果，明确捕捉了朝向超巨大黑洞的降落流，明确了降落流是由被称为“重力不稳定”的物理机制产生的。 而且，研究人员还发现，沉降流的大部分并不用于黑洞的生长，而是以原子气体或分子气体的形式从黑洞附近喷出一次后，返回气体圆盘，再次变成向黑洞的沉降流，发生了如同喷泉一样的气体循环。 这是全面理解超巨大黑洞生长机制的重要成果。
图1 .用阿尔玛望远镜观测的指南针座银河中心。 反映中密度分子气体的一氧化碳( CO )的分布用红色表示，反映原子气体的碳原子( c )的分布用蓝色表示，反映高密度分子气体的氰化氢( HCN )的分布用绿色表示，反映等离子气体的氢复合线( H36α)的分布用粉红色表示。 图的中央存在活动星系核。 众所周知，该星系从外向内具有倾斜的结构，在中心部接近横向观察高密度分子气体圆盘的形状。 这个高密度分子气体圆盘(图中心的绿色区域:另请参照右上的变焦)的大小直径约为6光年左右，只有在阿尔玛望远镜的高分辨率下才能明确捕捉到。 等离子体喷出流出在与该高密度分子气体圆盘大致正交的方向。Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), T. Izumi et al. オリジナルサイズの画像はこちら 在许多大质量银河的中心，存在着质量达到太阳100万倍以上的“超巨大黑洞”。 这个超巨大黑洞是如何制造出来的呢？ 迄今为止的研究提出的重要增长机制是向黑洞的“气体沉降”。 这是指存在于银河中的气体向银河中心的黑洞落下。 聚集在超巨大黑洞附近的气体，在黑洞重力的作用下高速运动，通过气体之间的激烈摩擦，高温化到数百万度而闪耀。 这是一种被称为活动星系核的天体现象，它的光有时会超过银河星光的总量。 有趣的是，向黑洞下沉的气体(沉降流)的一部分，也被认为是被这个活动银河核的巨大能量吹走(喷出流)。 那么，从迄今为止的理论观测研究双方，对于长达10万光年的银河尺度到中心的数百光年左右的气体沉降机制都有详细的理解。 但是，关于更内侧，特别是银河中心数十光年以内的气体沉降，由于区域太小，详细情况还处于谜团中。 例如，为了定量地理解黑洞的生长，需要测量降落流的流量(流入了多少气体)，另外，作为喷出流，需要测量什么类型的气体(等离子气体、原子气体、分子气体)以多少量流出，但其观测性理解并没有进展。以国立天文台的泉拓磨助教(本研究实施时隶属于国立天文台和东京都立大学)为中心的国际研究小组，利用阿尔玛望远镜，在世界上首次成功地对超巨大黑洞周边只有几光年的非常小的空间尺度下的气流及其结构进行了定量测量 通过观测多相气体，可以获得对黑洞周围物质的分布和运动的更全面、更准确的理解。 观测的是被称为指南针座银河的附近宇宙有代表性的活动银河核天体。 达到的分辨率约为1光年。 这是迄今为止对活动星系核的多相气体观测的最高分辨率。 本研究首先在从银河中心跨越数光年的高密度分子气体圆盘(图1的绿色)中，首次成功捕捉到了流向超巨大黑洞的沉降流。 实际上，由于区域很小，再加上银河中心部的气体运动很复杂，所以长期以来很难确定降落流。 但是这次，研究小组通过阿尔玛望远镜的高分辨率观测，确定了眼前的分子气体吸收了明亮闪耀的活动银河核的光而成为阴影的现场。 通过详细分析发现，这个吸收体在向“远离”我们的方向移动。 因为吸收体一定存在于活动星系核和我们之间，所以这意味着捕捉到了向活动星系核落下的降落流。 此外，还阐明了引起该星系中心气体沉降的物理机制。 观测到的气体圆盘自身的重力，大到用气体圆盘的运动计算出的压力无法支撑。 一旦陷入这种状态，气体圆盘就会因自重而破碎，形成复杂的结构，从而无法在银河中心稳定运动。 这样，气体就会一下子朝着中心的黑洞落下。 阿尔玛望远镜表明，发生了这种被称为“重力不稳定”的物理现象。 另外，本研究对活动星系核周围的气流的定量理解也取得了很大进展。 根据观测到的气体密度和降落流的速度，可以知道供给黑洞的气体流量。 它的量比支撑这个活动星系核的活动性所需的量大了30倍。 也就是说，银河中心1光年尺度上的黑洞沉降流几乎全部对黑洞的生长没有贡献。 那么，那剩余的气体去了哪里呢？ 本研究也解开了这个谜题。 通过阿尔玛望远镜的高灵敏度观测，在中密度分子气体·原子气体·等离子气体的所有气相(分别相当于图1的红色、蓝色、粉红色的分布)中检测到了来自活动星系核的喷出流。 定量分析的结果显示，流入黑洞的大部分气体虽然以分子或原子的形式喷出，但由于速度慢，无法从黑洞的重力圈逃出，返回气体圆盘，再次变成向黑洞的降落流，发生了如同喷泉一样的气体循环(图2 ) 对于这次的成果，领导研究的国立天文台的泉拓磨助教说:“在活动的、也就是现在正在成长中的超巨大黑洞周边只有几光年尺度的区域，用多相气体检测黑洞沉降流和喷出流，甚至可以解开向黑洞的沉降机制 ”，阐述了其重要性。 此外，展望今后，他还表示:“为了全面理解宇宙史上的超巨大黑洞成长，有必要对更远的、具有各种性质的超巨大黑洞进行多角度的调查。 这需要高分辨率、高灵敏度的观测，在运用阿尔玛望远镜的同时，也强烈期待着新一代的大型电波干扰计划。 ”。  图2 .基于此次观测结果的活动星系核的星际物质分布想象图。 高密度分子气体从银河顺着圆盘面向黑洞方向流入。 由于聚集在黑洞周围的物质高温化而产生的能量，分子气体被破坏，变成原子和等离子体。 据悉，这些多相星际物质大多转化为从银河中心部向外部的喷出流(向圆盘正上方主要产生等离子体喷出流，向斜方向主要产生原子和分子的喷出流)，但大部分会像喷泉一样再次返回圆盘。Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), T. Izumi et al. オリジナルサイズの画像はこちら 这些观测结果作为izumi et al." supermassive black hole feeding and feedback observed on su B-parsec science "已刊登于2023年11月3日( DOI:10.1126/science.adf0569 )。 本研究在国立天文台alma scientific research grant no.2020-14a、2022-21A、alma Japan research grant for the naoj alma project code naoj-alma-alma 及日本学术振兴会科学研究费补助金( JP20K14531、JP21H04496、JP17H06130、JP21K03632、JP19K03937、JP20K14529、JP20H00181、JP22H00158和JP22H01268 )的支持下进行。阿尔玛望远镜(阿塔卡马大型毫米波·亚毫米波干涉仪，ataca ma large millimeter/submillimeter array:alma )由欧洲南天天文台( ESO )、美国国立科学基金会( NSF )、日本自然科学研究机构( ninine 艾玛望远镜的建设和运用费由ESO、NSF及其合作机构加拿大国家研究会议( NRC )和台湾国家科学及技术委员会( NSTC )、NINS及其合作机构台湾中央研究院( AS )和韩国天文宇宙科学研究院( KASI )分担。 艾玛望远镜的建设和运用由ESO代表其组成国，美国东北部大学联合( AUI )管理的美国国立电波天文台代表北美，日本国立天文台代表东亚实施。 联合阿尔玛观测所( JAO )的目的是统一执行和管理阿尔玛望远镜的建设、试验观测、运用。 【主讲人】 泉拓磨(国立天文台阿尔玛项目助教) 和田桂一(鹿儿岛大学研究生院理工学研究科教授) 河野孝太郎(东京大学研究生院理学系研究科教授) 藤田裕(东京都立大学研究生院理学研究科教授) 川室太希(理化学研究所开拓研究总部基础科学特别研究员) 松本尚辉(东北大学研究生院理学研究科博士课程前期在校期间) 【联合发表机构】 自然科学研究机构国立天文台 鹿儿岛大学 东京都立大学 东京大学 理化研究所 东北大学 |
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