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黑洞周圍的絢麗多彩的“雲”,到底是怎麼形成的?


2022年6月22日 - 宇宙小編  
 

一旦離開在地球上看到的廣闊的天空,“雲”這個詞就不再意味著能夠產生雨水的白色霧狀可見聚合物了。無垠的宇宙中的雲指的是比周圍環境密度更大的團狀區域。

這幅插圖描繪了一個類星體,一種活躍的星系核,被一個塵土飛揚的環形甜甜圈和稱為 "雲 "的團塊所包圍。這些雲一開始很小,但之後可以擴散到超過1秒差距(3.3光年)寬。在這張圖中,雲層距離環形體至少有1個准秒。

插圖:尼瑪-阿布肯納

太空望遠鏡在超大質量黑洞附近觀測到了這些宇宙雲,這個黑洞的質量相當於10萬多個太陽,沒有光可以從這個神秘的極高密度的物體中逃逸出來。幾乎每個星系的中心都有一個超大質量的黑洞,如果這些黑洞從周圍吞噬了大量的氣體和塵埃,那它就是一個 "活動星系核"(AGN)。最亮的一種AGN被稱為 "類星體"。雖然黑洞本身看不見,但是它的周圍卻非常明亮,因為物質在它的事件視界(也就是不歸點)附近被撕碎時產生了巨大的能量。

但是,黑洞並不是真空吸塵器;它們並不只是吸走所有靠得很近的東西。雖然黑洞周圍的一些物質會直接落入並且再也看不到,但附近的一些氣體會被甩到黑洞外面去,形成一個外殼,並在數千年內不斷擴大。這是因為事件視界附近的區域能量極高;黑洞周圍快速移動的粒子所產生的高能輻射可以將大量的氣體噴射到浩瀚的宇宙空間。

科學家們估計這種氣體的外流是平滑的。但是事實相反,它是塊狀的,延伸到距離黑洞1個秒差距(3.3光年)之外。每塊雲開始時很小,但可以擴展到超過1個秒差距的寬度——這個距離甚至大於地球到半人馬座恒星之間的距離(除太陽以外離地球最近的恒星)。

拉斯維加斯內華達大學的天體物理學家丹尼爾-普羅加將這些團塊比作在高速公路匝道上等待的汽車群,匝道上的紅綠燈是為了調節車流的湧入。他說:"每隔一段時間,就會從匝道湧入車流。"

如何解釋太空中的這些雲狀物?普羅加及其同事建立了一個新的計算機模型,為這個謎團提出了一個可能的解決方案,並且發表在了《天體物理學雜志通訊》上,此雜志由博士生蘭德爾-丹寧領導牽頭創辦。科學家們表明,超大質量黑洞附近極其強烈的熱量可以使氣體極快地向外流動,但這個原因也可能導致雲團的形成。如果氣體溢出的速度過快,它將不會冷卻到足以形成團塊。計算機模型考慮到了這些因素,並提出了一種方案能夠使氣體逸散得很遠,但同時也會形成團塊。

"氣體殼的外緣附近有一個擾動會使氣體密度低一點,"普羅加說。"這會令氣體加熱。然後遠處的冷氣體又被拉升。"

這種現象有點像使熱空氣氣球漂浮的浮力。氣球內受熱的空氣比外面較冷的空氣要輕,這種密度差異使氣球上升。

丹尼爾·普羅加說:“這項工作很重要,因為天文學家總是需要把雲放在一個特定的位置,給它特定的速度,以適應我們從AGN看到的觀察結果。他們往往不關心雲層首先是如何形成的具體細節,而我們的工作為這些雲層的形成提供了一個潛在的解釋。”

這個模型只看了氣體的外殼,而沒有看在黑洞周圍旋轉的物質盤,而就是這個物質盤給它們提供了能量。研究人員的下一步是研究氣體的流動是否源於圓盤本身。他們很好奇為什麼一些雲的移動速度極快,能夠達到每小時2000萬英裏(每秒1萬公裏)。

這項研究涉及活動星系核物理學中的一個重要課題,得到了美國國家航空航天局的資助。該研究是丹寧、普羅加、UNLV博士後學者蒂姆-沃特斯和前UNLV博士後學者謝爾蓋-迪達(現在在劍橋大學)共同署名創作的。

BY: Tricia Talbert

FY: 二林喜丫

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