超大质量黑洞看起来像什么？旋转的“甜甜圈”

新浪科技新闻，北京时间，3月5日据国外媒体报道，超大质量黑洞存在于所有大型星系的中心。这些黑洞是活跃的增生物质，所以它们被称为“活跃星系核(AGN)”。当物质落入黑洞时，它将形成一个圆盘状结构，释放明亮的光，甚至产生巨大的喷发和喷射。与直径几十万光年的星系相比，超大质量黑洞周围的吸积盘和尘埃结构将显得非常小，宽度只有几十光年。然而，最近的两项研究最终让我们对超大质量黑洞的成长和演化有了更深入的了解。

旋转“甜甜圈”

天文学家使用活动星系核的“统一模型”来描述黑洞周围的结构。人们相信这个结构和它的方向会影响我们观察到的东西，这就是为什么不是所有的活动星系核看起来都一样。该结构的一部分是一个由充满灰尘的物质组成的环形圈——围绕着黑洞的气体和灰尘，它根据黑洞的方向从观察角度阻挡了部分或全部结构。

目前，天文学家根据阿塔卡马大型毫米阵列望远镜(ALMA)观测到的高分辨率图像，首次发现了围绕超大质量黑洞的旋转尘埃环。他们的观察目标是螺旋星系M77的中心，它距离地球4700万光年，位于鲸鱼星座。通过ALMA望远镜，他们可以识别并发现星系中心黑洞周围的气体尘埃与氢氰酸分子(HCN)和甲酰分子(HCO+)的喷射相结合，并瞄准中心黑洞周围密集的“甜甜圈”结构。目前，最新的研究报告发表在最近出版的《天体物理学快报》上。

该研究报告的作者、*家天文台的伊玛尼希(Masatoshi Imanishi)说:“为了解释活动星系核的各种观测特征，天文学家们假设在活动超大质量黑洞周围存在一个像甜甜圈一样的尘埃气体旋转结构。然而，尘埃气体环结构在外观上非常小。基于ALMA望远镜的高分辨率图像，我们目前可以直接观察到该结构。”

甜甜圈结构位于一个700光年宽的丝状半环材料结构中。它的直径约为20光年，与巨大的M77星系相比，它只是一个非常小的空间区域。通过对ALMA望远镜的观察和分析，研究小组发现，甜甜圈结构中的物质出现了多普勒频移，有些物质远离地球，有些物质面向地球，这是一个明显的旋转迹象。

这一明显的迹象也带来了额外的复杂性。甜甜圈结构可以以预期的方式旋转，但它具有一定的不对称性，其中一些结构旋转并具有随机方向的特性。该小组认为，这可能是一个颠覆性的迹象，例如，银河系已经与另一个较小的星系合并。需要做更多的工作来确定星系及其活动星系核的历史。首次观测到的旋转环结构的最新研究是星系和超大质量黑洞研究中的一个重要环节。

能量生成

许多活跃的星系核沿着旋转轴喷射出物质流。科学家们对释放物质流的机制和喷射流的构成知之甚少。然而，基于这种与喷流相关的磁场测量的最新模型显示，当物质被喷入太空时，黑洞可能会失去旋转动能。

该模型是由莫斯科物理科学技术研究所基金会和宇宙相对天体应用研究实验室的天体物理学家开发的。结果表明，极强喷流的能量与黑洞本身的旋转密切相关，并为天文学家提供了可测量的特征来检验理论观点。最新的研究报告发表在2017年12月22日的《天文学和空间科学前沿》杂志上。

科学家认为黑洞可以旋转，就像恒星和行星一样。当物质从吸积盘流入黑洞时，黑洞吸收角动量并旋转得更快。这种效应可以在被类似吸积盘包围的年轻恒星上观察到。然而，新生恒星的旋转速度太慢。因为它们吸收一定的角动量，角动量可以驱动恒星的喷射，同样的过程也存在于黑洞周围。

但是为了证明这一点，天文学家需要测量黑洞失去了多少旋转能量，但是这非常困难。同样，测量吸积盘材料的“磁通量”水平可以评估旋转能量的损失，但也很难测量。目前，这个最新的模型和其他最近更先进的黑洞喷流模型提出了一个“代理”:测量喷流磁场，然后将其与驱动喷流所需的旋转动能结合起来。

喷流磁场可以测量，因为磁通量是守恒的。通过测量喷流水平，我们还可以探测到黑洞附近的磁通量。目前，这项研究使天文学家能够将磁喷流与黑洞的自旋损失联系起来，并通过实验验证我们对黑洞及其周围环形结构和喷流的理解是否正确，或者我们还需要进一步的改进。

2017年4月，事件地平线望远镜花了一周半的时间收集关于银河系超大质量黑洞和椭圆星系M87超大质量黑洞的数据。很快我们不仅可以拍下超大质量黑洞周围环状结构的第一张照片，还可以观察黑洞视界的边缘。作为一名天体物理学家，这将是一个激动人心的时刻。