体是宇宙中最明亮的天体之一,是遥远星系中的剧烈发光现象。天文学家认为几乎所有星系中心都存在超大质量黑洞,星系中的气体下落到黑洞1000个引力半径左右时,由于黑洞的强大引力和高速转动会形成盘状气体流,在吸积盘中释放万亿倍太阳亮度的引力能,发光远远超过整个星系。
星际物质作为黑洞吸积盘发光的燃料,整个输运过程要跨域巨大的空间范围。天文学家已经观测到气体从星系大尺度空间的证据,但一直未建立有效手段直接探测由星系核区流入吸积盘的气体,导致黑洞吸积理论长期缺失最为关键的观测证据。项目团队率先提出利用宇宙中最为丰富的氢和氦元素的光谱吸收线特征来示踪供给吸积盘的气体流,并成功在一批类星体的光谱中观测到最高多普勒红移速度达5000公里每秒的宽吸收线特征。
吸收线发生红移表明气体正背向观测者运动流入星系核区,吸收线的宽度即红移速度从0到5000公里每秒连续变化显示了气体受黑洞引力作用持续加速下落的过程,最高红移速度5000公里每秒则对应着吸积盘外边界处黑洞引力的自由落体速度,从运动学直接证实气体确实达到了吸积盘。
另外,利用更多元素的吸收线特征联合解算光致电离模型得到的气体位置、密度、厚度和电离度等物理参数均符合模型预期,满足吸积盘发光所需燃料供给要求。
这项工作在国际上首次成功观测到类星体核区为超大质量黑洞吸积盘提供吸积燃料的快速内流气体,完成了黑洞吸积物理图像的最后一块拼图,在黑洞吸积物理、活动星系、及黑洞和星系共同演化等研究领域具有重要科学价值。
星系核区超大质量黑洞通过吸积气体增长并在吸积盘释放大量引力能剧烈发光,形成宇宙中最为明亮的持续发光天体——类星体。类星体是20世纪集中于60年代的天文学四大发现之一,黑洞吸积和引力能释放作为其发光能源的理论在发现之初即被提出。但是遥远星系中黑洞吸积盘的视尺度实在太小,无法空间分辨,天文学家一直也没有观测到从星系核区流入吸积盘的气体,这是黑洞吸积理论的一个长期悬而未决的问题。
我们团队在类星体研究,特别是在超大质量黑洞吸积与外流的研究上有长期积累。约十年前,开始系统发展以氢元素和氦元素的吸收线特征来探测类星体核区和寄主星系中的气体。因为氢和氦是宇宙中最为丰富的元素,它们对气体的示踪非常有效而且可用来诊断气体的物理状态。
本项研究中,我们利用氢和氦元素的宽吸收线光谱特征,认证气体内流运动速度与黑洞引力自由落体速度相当的类星体,首先从运动学上确定这些内流气体到达吸积盘外边界,再利用光致电离模型进一步推算内流气体的物理性质,检验气体的供给和消耗平衡。
搜寻超过10万条类星体光谱,最终成功在8个纯粹红移的氢和氦宽吸收线类星体中观测到直接供给吸积盘的内流气体。受类星体核区其它结构的