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

中智联合博士后揭开宇宙黑暗时代神秘面纱

中科院南美天文中心(中智中心)第一期中智联合博士后、现上海天文台研究员、中科院“率先行动”百人计划青年俊才候选人郑振亚博士参加的超高红移窄带巡天项目:“宇宙再电离时期的莱曼阿尔法星系”(简称LAGER)取得突破性进展。此项目得到了中智中心第一期联合研究基金为期两年的支持。郑振亚博士在智利从事中智联合博士后工作期间,作为中智天文合作的一个重要项目,申请到CTIO 4米望远镜时间10晚,麦哲伦时间4晚,获取了大量高质量的观测数据,为此项目的开展和成功奠定了坚实的基础。

该项目由科大王俊贤老师提出,郑振亚博士作为共同组织者和主要参与人,负责申请望远镜时间、观测数据处理和分析等具体工作,通过中国,智利,美国的合作,正在借助智利的CTIO 4米口径光学望远镜和自己定制的窄带滤光片(中心波长大约9640Å,宽度约95Å)对四个天区进行窄带巡天,寻找宇宙年龄8亿年左右(红移7左右)的莱曼阿尔法发射线星系(Lyman alpha emitting galaxies)。目前已经完成的第一个天区的观测结果即给出了目前世界上最大的红移7 Lyman alpha星系样本,并由此发现在该宇宙年龄处,宇宙星系际弥散介质中氢的电离比例为约50%。这一结果已经发表在国际一流天文杂志ApJL上,美国国家光学天文台以“遥远的星系揭开宇宙黑暗时代末期的面纱”为题专门撰文报道了此项研究突破。研究同时被美国天文学会AAS Nova Journals Digest栏目推荐介绍。


图1:宇宙演化示意图,时间是从左到右演化。左边的亮点是大爆炸,也就是现有宇宙学理论认为的宇宙开端。中间蓝色的区域是本文介绍的黑暗时期,此时宇宙中大量的中性氢会吸收大量可见光使得我们很难看到这个时期的星系。直到大部分的中性氢被来自恒星或星系的紫外辐射电离成质子和电子后,宇宙才显得“透明”起来。图中黄色方框区域体现的是宇宙的再电离的完成时间。从这个示意图我们可以看到再电离是一个逐步完成的结果,并且星系的紫外辐射会电离出一个个的空泡,而不是一个均匀的电离过程。郑振亚的结果支持了这一理论猜测。图片来源:https://www.noao.edu/news/2017/img/distant-universe.jpg

我们的宇宙在大爆炸后约三十万年时进入了一个黑暗时代(图1中的蓝色区域)。此时的宇宙充满了大量的中性氢。在引力的作用下,一部分中性氢会形成恒星甚至星系。可是中性氢大量吸收了恒星和星系发出的可见光,导致我们几乎探测不到这一时期任何天体,显得十分“黑暗”。这团中性氢像雾霾一样阻止了天文学家看清楚宇宙黑暗时代的星系。直到恒星形成释放的紫外光子把此时宇宙里的中性氢电离为质子和电子后,宇宙才终于对可见光“透明”了起来,这一过程叫做宇宙的再电离。

图2:图中白框指示的是郑振亚团队发现的23个Lyman alpha星系候选体位置。右边是最亮的两个源放大后的图像。图片来源:https://www.noao.edu/news/2017/img/LAGER-full-composite.jpg

宇宙何时从黑暗时代进入再电离时代,不但是宇宙学的基本的问题,也是星系形成演化,恒星形成等领域的重要前沿问题。关于再电离的一个可行的研究方法是寻找高红移的恒星形成星系,尤其是莱曼阿尔法发射线星系。越古老的莱曼阿尔法发射线星系,越能帮助我们理解宇宙再电离的细节。

红移7左右的发射线星系非常稀有。尽管窄波段巡天的方法可以有效的从图像上分辨出发射线星系候选体,目前天文学家已经在红移6.6处发现了近百个发射线星系,但是在红移7左右的相关研究一直进展缓慢,在2006年到2012年间,天文学家发现了20多个红移7的星系候选体,只有3个星系被确认处于这一红移时期。此巡天项目的第一篇文章就给出了23个红移7的Lyman alpha 星系候选体,成为这一领域最大的样本。后续光谱观测表明样本中至少70%的星系被确认处于这一时期(Hu et al. 2017)。进一步的分析表明,在宇宙年龄8亿年到10亿年的过程中,亮的Lyman alpha星系数量变化不大,而暗的星系变化显著(图3)。这一方面表明宇宙再电离在红移7左右并未结束,也表明电离过程可能不是均匀发生在宇宙各个区域,正在被电离的宇宙也许充满了一个个被电离的泡泡(参见图1的黄色方框区域的示意)。

图3:高红移宇宙Lyman alpha星系光度函数。郑振亚博士的工作是图中的红色原点。可以看到红移7左右Lyman alpha星系光度函数是分段的。相对红移6.6的时期,红移7左右Lyman alpha星系在暗端有强烈演化,而亮端演化不大。图片来自这一巡天项目的文章,第一作者是中智中心博后郑振亚。

科大王俊贤老师发起的这个高红移巡天项目开始于2012年。这些年来,这一项目团队系统的开展了设计定制滤光片,申请观测,光谱认证等,这一项目是世界上该红移处唯一的大天区巡天。这个项目以极高的效率和成功率前所未有的提高了在红移7左右的Lyman alpha星系样本数量。考虑到这个样本还只是LAGER巡天项目四个天区中的一个天区的结果,可以预见这一项目还会向我们展示更多早期宇宙的故事。

图4: Materion公司定制的窄带滤光片,正要被装到暗能量相机上。这个滤光片的中心波长是9640Å,宽度大约95Å。这一设计是为了找到红移7的发射线星系的同时避开大气的OH线污染。图片来源:http://astro.ustc.edu.cn/news/201603/W020160314319626554087.jpg

该论文第一作者为上海天文台郑振亚研究员(中国科大2012届博士毕业生,中智中心第一期博后),同时也是LAGER项目的共同组织者。这一项目得到了中智中心第一期联合研究基金项目的支持。

相关文章:
http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa794f
https://arxiv.org/pdf/1703.02985.pdf
https://arxiv.org/pdf/1706.03586.pdf

参考文献:
https://www.noao.edu/news/2017/pr1703.php
http://astro.ustc.edu.cn/news/201603/t20160314_238496.html
http://www.ctio.noao.edu/noao/content/Properties-N964-filter
http://news.ustc.edu.cn/xwbl/201707/t20170712_280146.html

中智联合博士后Claudio Ricci发现并合星系中的黑洞被“雾霾”笼罩

This illustration compares growing supermassive black holes in two different kinds of galaxies. A growing supermassive black hole in a normal galaxy would have a donut-shaped structure of gas and dust around it (left). In a merging galaxy, a sphere of material obscures the black hole (right).

Credits: National Astronomical Observatory of Japan

Black holes get a bad rap in popular culture for swallowing everything in their environments. In reality, stars, gas and dust can orbit black holes for long periods of time, until a major disruption pushes the material in.

A merger of two galaxies is one such disruption. As the galaxies combine and their central black holes approach each other, gas and dust in the vicinity are pushed onto their respective black holes. An enormous amount of high-energy radiation is released as material spirals rapidly toward the hungry black hole, which becomes what astronomers call an active galactic nucleus (AGN).

A study using NASA’s NuSTAR telescope shows that in the late stages of galaxy mergers, so much gas and dust falls toward a black hole that the extremely bright AGN is enshrouded. The combined effect of the gravity of the two galaxies slows the rotational speeds of gas and dust that would otherwise be orbiting freely. This loss of energy makes the material fall onto the black hole.

“The further along the merger is, the more enshrouded the AGN will be,” said Claudio Ricci, lead author of the study published in the Monthly Notices Royal Astronomical Society. “Galaxies that are far along in the merging process are completely covered in a cocoon of gas and dust.”

Ricci and colleagues observed the penetrating high-energy X-ray emission from 52 galaxies. About half of them were in the later stages of merging. Because NuSTAR is very sensitive to detecting the highest-energy X-rays, it was critical in establishing how much light escapes the sphere of gas and dust covering an AGN.

The study was published in the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Researchers compared NuSTAR observations of the galaxies with data from NASA’s Swift and Chandra and ESA’s XMM-Newton observatories, which look at lower energy components of the X-ray spectrum. If high-energy X-rays are detected from a galaxy, but low-energy X-rays are not, that is a sign that an AGN is heavily obscured.

The study helps confirm the longstanding idea that an AGN’s black hole does most of its eating while enshrouded during the late stages of a merger.

“A supermassive black hole grows rapidly during these mergers,” Ricci said. “The results further our understanding of the mysterious origins of the relationship between a black hole and its host galaxy.”

NuSTAR is a Small Explorer mission led by Caltech and managed by NASA’s Jet Propulsion Laboratory for NASA’s Science Mission Directorate in Washington. NuSTAR was developed in partnership with the Danish Technical University and the Italian Space Agency (ASI). The spacecraft was built by Orbital Sciences Corp., Dulles, Virginia. NuSTAR’s mission operations center is at UC Berkeley, and the official data archive is at NASA’s High Energy Astrophysics Science Archive Research Center. ASI provides the mission’s ground station and a mirror archive. JPL is managed by Caltech for NASA.

For more information on NuSTAR, visit:

http://www.nasa.gov/nustar

http://www.nustar.caltech.edu

转载自https://www.nasa.gov/feature/jpl/merging-galaxies-have-enshrouded-black-holes

国家天文台“极端”自适应光学仪器在智利完成客座观测

7月,中科院国家天文台南京天光所(简称天光所)研制的“极端”自适应光学系统(Extreme Adaptive Optics,简称:Ex-AO)作为客座仪器,成功对接欧洲南方天文台(ESO)3.6米新技术望远镜(NTT),圆满完成了测试观测。该套Ex-AO系统在近红外H波段获得了衍射极限成像,表明具备了用于系外行星科学成像观测的能力。 Continue reading