南美天文中心年轻科研人员在《自然-天文》杂志上发表黑洞及周边吸积物质研究综述

Claudio Ricci博士是中科院南美天文中心通过全球公开招聘计划支持的博士后,近年来他致力于利用X射线卫星NuSTAR开展黑洞和活动星系核等方面的研究工作。本周国际顶级学术刊物《自然 •天文》发表了Claudio Ricci博士与西班牙加纳利天体物理研究所Cristina Ramos Almeida博士合作撰写的综述文章,介绍最近十年来利用X射线卫星数据和红外数据,在黑洞及其周边吸积物质等研究领域的重大进展和他们的最新发现。

在大质量星系的中心(核区)往往都有超大质量黑洞,但这些黑洞被其周边大量的气体和尘埃遮挡,很难对其进行直接研究。现已知道这些核周(Circum-nuclear)物质最终都会被黑洞吸积并变为助其生长的原料,因而它们的具体结构和详细的演化过程是近年天体物理研究中的一个重要课题。南美天文中心的Claudio Ricci博士和西班牙加纳利天体物理研究所的Almeida博士最近应《自然•天文》杂志邀请,撰写此研究领域的综述文章,重点是结合他们所获得的X射线和红外波段的研究数据,深入分析超大质量黑洞近邻物质的细致结构。这两个波段的观测对于黑洞研究具有特殊的互补性:前者是在距超大质量黑洞很近的区域内产生,因此可以用来研究辐射的吸收和反射;后者则可以用来直接研究核周的星际尘埃的物理状态。

黑洞是一个引力非常强大以至于光都无法逃离的时空奇点,因此它本身在所有电磁波段都是“黑”的、不可见的。根据广义相对论,一个物体如果有足够大的质量和密度,就会坍缩成奇点,形成黑洞。大质量恒星在其演化晚期会发生坍缩,遗留的残骸如果其质量超出一定限度,则可形成恒星级黑洞。黑洞产生之后会通过不断地吸积周边的物质或者和其它黑洞发生合并,从而不断长大(质量增加),并可能成长为百万太阳质量级的超大质量黑洞。观测上第一个被确认的黑洞是天鹅座X-1,大约为15倍太阳质量(图1)。而银河系中心有一个大约430万太阳质量的黑洞,也即人们所熟知的射电源射手座A*。

尽管黑洞本身不可见,但它和周边物质的相互作用会产生天文学家们能够观测到的辐射和其它物理现象。核周物质在掉入黑洞的过程中将形成高温吸积盘、冕区、发射线区域,从而能够在很宽的波段范围产生明亮的辐射(即活动星系核,简称AGN),这些辐射通常是人们用来研究黑洞和核周物质的重要手段(图2)。

Ricci和Almeida的这篇文章总结了最近十年内在此研究领域的重要进展,特别是由最新和最先进的X射线及红外观测设备所带来的巨大优势和成果。两位作者深入讨论了核周物质的各向异性、成团性,以及它们与宿主星系通过气体的吸积和喷流所产生的关联和互换。同时,他们也特别提出AGN极区的尘埃辐射最有可能是由黑洞吸积所产生、由辐射压驱动的喷流所引发的。未来更先进的设备将有助于更深入地观测AGN的核区,从而更好地理解核区如何把宿主星系与中心黑洞联接起来。尤其重要的是,在不远的将来,詹姆士•韦伯太空望远镜(JWST)将能够在红外波段探测到极区尘埃的结构和演化,而筹备中的空间X射线卫星项目XARM和Athena计划所配备的高分辨率光谱仪,将可以用来更好地研究气体和尘埃的性质。Ricci博士正是因为在此领域有突出的贡献而受邀撰写综述文章。他的贡献包括最近关于被尘埃遮挡天体性质的突破性研究,以及星系并合能严重影响超大质量黑洞附近气体和尘埃的重要发现。

能够在国际权威杂志上发表这样的综述文章,通常是作者本身的科研工作和积累受到同行广泛认可的标志之一。尤其对于像Ricci和Almeida博士这样的年轻学者而言,更是他们在这个领域内有突破性创新和建树的可喜成果。

图1:黑洞天鹅座X-1与其周围吸积盘、喷流等的示意图。这个黑洞是大质量恒星演化到晚期坍缩形成,它还在持续地从其附近的蓝色恒星吸积物质并不断长大。图片来源于NASA/CXC/M. Weiss.图2:根据观测结果推算出的活动星系核在赤道和极区方向的结构模型示意图。从中心到宿主星系分别为:超大质量黑洞、吸积盘、冕区、宽线区、涡旋区、窄线区。不同的颜色代表不同的化学成分或者密度。图片来自于综述文章 Almeida & Ricci (2017, Nature Astronomy).

本综述文章链接为:https://www.nature.com/articles/s41550-017-0232-z

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