南美天文中心年轻科研人员揭示超大质量黑洞的辐射与核周物质分布之间的关系

中科院南美天文中心博士后Claudio Ricci与其合作者,包括国家天文台“超大质量黑洞与星系的协同演化”重点研发项目,利用一个由硬X射线数据挑选的超大质量黑洞样本,在超大质量黑洞的辐射如何反馈影响黑洞附近物质分布的方面,获得了重要进展。国际顶级专业期刊《自然》杂志于9月27日正式发表了这一重要研究成果。

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。黑洞的引力非常强大以至于光都无法逃离,因此它本身在所有电磁波段都是“黑”的、不可见的。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。

我们早已知道大质量黑洞都“躲”在星系中心(包括我们的银河系)。有些黑洞可以“吃掉”它们周边的物质,然后发出大量的电磁辐射。我们还知道,绝大部分“明亮的”黑洞周围也有大量的尘埃和气体,并且其分布成“多纳圈”形状。这样的结构像是“储藏室”,可以保证黑洞有充足的食物,从而不断发光并逐渐长大。然而,我们并不清楚这些物质是如何分布的,以及尘埃气体与辐射有怎样的关系。

为了解决这个困扰天文学家多年的谜题,中科院南美天文中心的博士后Claudio Ricci博士,与其合作者利用大样本的X射线(天文用的X射线和医院身体检查所用的X光机基本在同一波段)观测数据,对黑洞以及其周边物质进行空间X射线成像,测量了黑洞周围物质的数量,并研究周围物质的演化。

从2013年开始,Ricci博士发起了这个项目,通过多年太空和地基望远镜的观测数据,他们生成了一个巨大的黑洞研究数据库。地基望远镜包括许多在智利运行的大型设备,比如Gemini、Du pont等望远镜,它们在这个研究中发挥了巨大的作用,包括测量黑洞的质量。空间设备包括美国航空航天局(NASA)的X射线卫星SWIFT,欧洲空间局(ESA)的X射线卫星XMM-Newton,以及日本航空探索局的Suzaku卫星以及NASA的一些其他空间望远镜,比如Chandra。

利用这些数据,Ricci等人揭示了黑洞的电磁辐射与周围气体相互作用的机制,发现大部分黑洞周围的吸积物质都离黑洞很近。他们认为,当黑洞发出大量电磁辐射时,强大的辐射压会把周围的物质推离黑洞。换句话说,因为大量物质迅速掉落到黑洞,并产生巨大的能量从而把黑洞周围的气体“蒸发”了。 这也意味着,如果黑洞“吃”的太急,它产生的能量将“毁掉”它明天的食物。

这是我们理解黑洞辐射与核周物质分布之间关系的一大进步,“下一步将更详细的理解二者的关系,并研究那些被吹离黑洞的气体和尘埃会如何演化和发展”, Ricci博士对今后的工作憧憬着。

图1:一个超大质量黑洞与其周围气体和尘埃的艺术想象图。 图片来自于NASA/JPL/Caltech.

图2:不同爱丁顿比值情况下,超大质量黑洞和核周物质分布示意图。爱丁顿比值是物体的总辐射光度爱丁顿光度之比。爱丁顿光度是某光源(在本文中是指黑洞),其辐射压与重力达到平衡时的总辐射光度。图片来源于Ricci et al. (2017, Nature Letter)。

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

习近平主席和智利总统共同见证中智合作建设天文观测基地谅解备忘录签署

当地时间11月22日,在中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平对智利进行国事访问期间,在习主席和智利总统巴切莱特的共同见证下,中国科学院国家天文台台长严俊和智利北方天主教大学校长Jorge Tabilo Álvarez,于智利首都圣地亚哥总统府签署了合作共建天文观测基地的谅解备忘录。

智利凭借其优越的天文气候条件和历届政府对天文事业的重视与稳定支持,几十年来吸引了欧、美、日等多国竞相在智长期发展天文观测设施,成果斐然。目前为智利北方天主教大学(UCN)所拥有的“VTRS台址”(Ventarrones)位于圣地亚哥以北约1200公里的世界著名的阿塔卡马高原沙漠地带,距离UCN大学所在的安市(Antofagasta)约100公里,海拔2900米,是中科院南美天文中心经过认真调研和实地考察,与其它台址进行反复比较后确定的优秀观测台址。它曾经是欧洲南方天文台E-ELT 39米超大望远镜(在建)的备选台址之一,其质量得到国际一流机构的认可,各方面综合条件突出。为了推进天文观测研究和相关领域的科技发展,促进两国科学家、工程师和学生的合作交流,经国家天文台与UCN大学协商,一致同意作为双边合作伙伴,共同把VTRS台址建设和发展成为国际性的现代化天文科研基地,同时对科普教育起到重要作用。

这是继2015年5月李克强总理与智利总统巴切莱特见证中智天文大数据中心建设合作协议签署后又一次在两国领导人见证下签署的中智天文合作谅解备忘录,也是中科院南美天文中心在智利成功运行三年来所致力推进的各项具体工作中的又一亮点及重要节点。严俊台长特别指出,我国立足于天文发展的长期规划,待时机成熟时在智发展观测基地,是一个经过科学界慎重考虑的战略步骤。此备忘录的正式签署以及具体内容的逐步实施,将使我国首次在海外通过共同开发的方式拥有国际一流的观测台址,且其经度和纬度上都与我国本土观测台站优势互补。这对于我国实测天文和天文技术方法的发展具有重大意义,也是我国建设科技强国的标志之一,并将进一步促进和扩大中智双方在天文领域的合作与交流。

中科院国家天文台与智利地方UCN大学合作共建天文观测基地的消息已经在当地引起了社会各界和媒体的高度重视。智利政府有关部门负责人认为这是中智科技合作中具有里程碑意义的大好消息。智利天文学家普遍对中科院国家天文台采取与智利的大学进行合作的方式开始未来的台址建设表示支持并对未来的发展感到乐观。首都圣地亚哥一家主要媒体为协议的签署准备了特别报道,指出这是中方在南美发展天文观测研究进程中精彩的一步。在智有着广泛影响的欧洲南方天文台(智利)台长Cameron先生在其贺信当中盛赞中方的开发计划为一“上佳选择”,并表示愿意为VTRS台址未来的发展提供协助。img_4352

 

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  习近平主席见证中智合作建设天文观测基地谅解备忘录签署


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与习近平主席等国家领导人合影

“智利周”天文专场活动

2016年9月初,智利外交部在华举办了促进中智经贸、文化、科技交流的大型“智利周”活动,天文交流是其中一项重要主题。应“智利周”组委会邀请,智利外交部科技事务主管Juan Carlos Aguirre先生、智利科委天文分部负责人Luis Chavarria博士、智利天文学会主席EzequielTreister教授、智利大学天文系主任Guido Garay教授、智利北方天主教大学Maximiliano Moyano教授,智利圣玛丽亚技术大学Mauricio Solar教授,智利迭戈波特尔斯大学Roberto Assef教授,智利安托法塔斯卡大学Eduardo Unda教授一行于8月28日至9月4日来华参加“智利周”活动。智利天文代表团在华期间,中国科学院国家天文台作为地方主接待单位,协助了代表团的天文交流活动日程安排。

在中国科学院国家天文台副台长薛随建研究员、中国科学院南美天文中心首席科学家黄家声研究员以及智利驻华大使馆领事Eduardo Sliva先生陪同下,代表团拜访了科技部国际合作司和中国科学院国际合作局,在国家天文台、北京大学进行了考察访问和学术交流,并参加了由“智利周”组委会与国家天文台联合举办的天文专场学术报告会。
8月29-30日,智利天文代表团赴贵州参观了500米球面射电望远镜FAST项目大科学工程。FAST项目科学家李菂研究员详细介绍了FAST项目的工程概况、运行管理及科学目标等,智利代表团对FAST的建造水平、技术创新及预期科研等表示由衷的赞叹。9月3日,智利天文代表团访问国家天文台兴隆观测基地,参观了我国大科学工程LAMOST望远镜,对我国现代化观测设备的设计理念和规模表示赞叹。

 

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    参观FAST望远镜合影  LAMOST望远镜参观访问兴隆观测站合影

 

8月31日,智利天文代表团访问国家天文台总部,就中智双边天文合作进行了座谈。席间薛随建研究员、Ezequiel Triester教授、黄家声研究员分别对国家天文台天文发展、智利天文发展和中智天文合作方面做了介绍。代表团其他成员也分别展示了其所在学校天文研究成果,并与我台科研人员进行了交流。当日下午,智利大学天文系主任Guido Garay教授在国台做了题为“大质量恒星形成”的学术报告,与国台学子们进行充分的交流与探讨。

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国家天文台中智双边座谈会合影                                           智利大学Guido Garay教授学术报告

 

9月1日上午,智利天文代表团访问北京大学科维理天文与天体物理研究所(KIAA),与所长Luis Ho教授、副所长吴学兵教授等进行了学术交流和研讨。下午,代表团拜会了科技部国际合作司,蔡嘉宁参赞及美大处蒋德华处长等与智利代表团进行了座谈,对进一步加强中智科技合作特别是天文合作进行了讨论。蔡嘉宁参赞对两国之间在天文领域的合作成绩以及中科院南美天文研究中心代表国家天文台获得在智“国际科研组织”地位表示赞赏,并期待双边科技联委会机制促成更广泛领域的科技合作。随后代表团拜会中国科学院国际合作局,与曹京华局长,于润升副局长以及美大处孙辉处长、宁博伦副处长等进行了座谈,双方积极肯定中科院南美天文中心已取得的成绩。曹京华局长特别强调,要充分利用南美天文中心这个平台,进一步开拓其他领域的科技合作,得到智方的积极回应。

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智利天文代表团拜访科技部国际合作司合影 智利天文代表团拜访中国科学院国际合作局合影

9月2日上午,“智利周”天文专场活动:“智利–星星之国”研讨会在北京瑰丽大酒店举行,智利代表团和来自中国天文界的近50名科学家及学生参加了本次研讨会。智利前总统弗雷先生首先做了开场演讲,强调智利历届政府,致力推动天文国际合作的政策理念,随后,国家天文台薛随建副台长致辞回顾了中科院南美天文中心的发展历程、现状和成绩;智利驻华大使贺乔治先做了关于两国科技合作前景和展望的演讲。会上,智利天文学会主席Ezequiel Treister教授,智利外交部科技事务主管Juan Carlos Aguirre先生向中国天文界展示了智利天文的优越条件和智利各天文台现状。智利迭戈波特尔斯大学Roberto Assef教授,智利大学天文系主任Guido Garay教授介绍了中智联合科研项目和南美天文中心在智运行进展。会议期间,来自中国各地的天文科学家也与各位智利代表积极交流,探讨科研进展,寻求未来合作机会。

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智利前总统弗雷先生致辞 中智科学家学术交流

本次“智利周”天文专场活动,对进一步加强了中智双方对彼此天文发展状况的了解,促进了中智天⽂科研交流合作有重要意义。南美天文中心将充分发挥其在南美科研合作平台作用,为中智天文合作提供便利,为壮大中国天文事业发展做出应有的贡献。

中科院副院长谭铁牛一行视察中科院南美天文中心


        应智利国家科委(CONICYT)、智利大学、中国科学院南美天文中心的邀请,中国科学院副院长谭铁牛于5月6~8日 率团访问智利。上海天文台台长洪晓瑜、中国驻智利使馆科技专员陈小鸥、南美天文中心主任王仲,副主任王炜,麻省理工苏萌博士等人陪同。
        5月6日,谭铁牛副院长一行先后会见了智利国家科委主任Mario Humuy教授、参议院科技创新与电信委员会主席Guido Girardi先生,对两国之间的天文合作和更广泛领域的科技合作展开深入讨论,达成系列共识。去年12月,谭院长曾在北京接待Girardi先生访问中科院,此次回访进一步增进了双方的了解,将推进科技合作更加深入。
        随后,谭铁牛一行访问了智利大学,与智方讨论了南美天文中心的运行和今后的发展方向。视察了中科院南美天文中心,听取了中心主任王仲关于中心的整体情况汇报和朱磊、于立鑫博士关于中智天文大数据中心的详细汇报。谭院长高度肯定了中心三年来的快速发展和取得的成绩,向中心代表国家天文台取得在智国际组织地位表示祝贺,并指示中心应放眼未来,长足发展。谭院长还亲切慰问了在智访问学者和工作人员,与他们进行了座谈,并鼓励大家积极为中心的发展建言献策。
        谭铁牛一行还参观了智利圣塔玛莉亚大学,并调研“中智天文大数据中心”,就数据中心的性能和运行情况提出了专业的见解和长期规划建议。中智天文大数据中心是南美天文中心在智建设的第一个实体中智合作项目,具备宽带传输、海量存储、高性能计算等天文大数据处理功能,可使两国科研人员即时分享在智运行的国际先进天文观测装置所产生的科学数据,从而开展最前沿的天文学研究。谭铁牛还会见了中国驻智利大使李宝荣、智利科学院院长Maria Teresa Ruiz女士等,就中智科技交流和南美天文中心的发展交换了意见。
        5月7-8日,谭铁牛一行赴智利北部参观了位于海拔5060米高原的阿塔卡玛大型毫米波天线阵(Atacama Large Millim eter/sub-millimeter Array,缩写为ALMA)和位于海拔5200米高原的阿塔卡玛宇宙学望远镜(ACT)、宇宙大尺度巡天望远镜(CLASS)和北极熊(POLARBEAR)等研究宇宙微波背景辐射的望远镜。
        谭铁牛与驻站天文学家和技术人员进行了交流,多方面了解这些望远镜的功能和目的,实地考察了66面望远镜天线同步工作的情形。大家切身感受到台址的优良性、望远镜的先进性能、配置的光谱相关及干涉成像设备的高效率等,其国际一流台站先进的管理运行、工作人员的敬业和专业素养也给谭院长留下深刻的印象。
         智利因其特殊优越的地理条件、长期稳定的政府支持与开放的政策,是世界各国竞相建立大型地基天文观测设施的理想场所。欧南台和美国等在智天文台站已有五十多年的发展历程,对近年天文科学的发展贡献巨大。中科院南美天文中心作为国家天文台在智利的代表已获得在智国际科研组织地位,具有了在智建设和发展天文台站及观测设施的资质。在院领导以及全国天文界的支持下,中心必将为发展壮大中国天文事业做出应有的贡献。


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中科院副院长谭铁牛视察中科院南美天文研究中心