科学通报|分辨超大质量黑洞吸积盘的结构

活动星系核有显著的光度变化和宇宙学红移，表明其中心引擎的尺寸与太阳系相当，而辐射功率可以是银河系的成千上万倍. 有鉴于此，超大质量黑洞吸积盘被广泛认为是活动星系核的中心引擎. 如何分辨这些遥远的巨型黑洞周围的吸积盘，从而认识黑洞的质量吸积历史，是天文学家面临的巨大挑战. 厦门大学孙谋远课题组在《科学通报》发表评述文章，从观测和理论的角度，综述了“吸积盘尺寸超出”问题研究方面取得的进展、面临的问题以及可能的解决方案.

一闪一闪的是巨型黑洞吸积盘

我们或多或少都曾经哼唱过这样一首脍炙人口的儿歌“一闪一闪亮晶晶，满天都是小星星。挂在天空放光明，好像许多小眼睛…”。每个人的一生所见绝大部分恒星亮度其实极为稳定，只是由于大气湍流的原因，恒星看起来“一闪一闪”。有趣的是，在宇宙中存在一类天体，像是永远不知道疲倦似地不停“闪烁”。这类天体就是今天的主角——活动星系核。活动星系核的“闪烁”，即光度随时间的变化，有急有缓，充满节奏感。利用活动星系核最“急”/最短时标的光变，结合光速限制与因果律，便可推测其中心引擎的尺寸，与太阳系相当。令人惊奇的是，如此“小巧”的中心引擎的辐射功率可达整个银河系的成千上万倍。因此，天文学家断言活动星系核的中心引擎必然与恒星不同，不是核聚变，而应该是其他更为暴虐的物理机制。巨型黑洞由于其强大的引力，“拉拽”和吞噬周围气体形成的吸积盘是唯一符合上述观测事实的中心引擎物理模型。这些巨型黑洞的质量是太阳质量的百万倍乃至于百亿倍，其吞噬气体过程释放的引力能以及快速旋转的巨型黑洞的转动能可以轻松地解释观测到的活动星系核辐射。

每一个活动星系核中心都是一个正在剧烈地吞噬周围气体（称之为吸积过程）的巨型黑洞。朝着巨型黑洞“坠落”的吸积气体由于角动量的原因，会形成盘状结构。巨型黑洞正是从气体吸积盘中获得源源不断的“养料”，实现自身质量增长。分辨巨型黑洞的气体吸积盘，是认识活动星系核引擎的关键，也是理解巨型黑洞质量增长的有效探针。

超大质量黑洞和周围吸积盘的艺术想象图。图片取自维基百科

给巨型黑洞“拍照”？

乍听之下，人们或觉得不可思议。众所周知，黑洞本身并不发光，如何给它们拍照？生活经验表明，人体、树木、虫草等等都不发光，只要它们周围有合适的光源（如阳光），我们就可以对这些事物拍照留念。巨型黑洞周围也有光源，那就是围绕着它们的吸积盘。吸积盘中气体“坠落”过程，不停地释放引力能，部分能量用于加热自身，产生明亮的电磁辐射。这些电磁辐射在巨型黑洞的弯曲时空中传播，形成一系列围绕巨型黑洞的光环。被光环包裹的是巨型黑洞被略微放大了的“像”，其大小约为史瓦西半径的2.6倍。对于隐藏在银河系中心的400万倍太阳质量黑洞而言，其史瓦西半径也仅为1200万千米，仅约为地球与银河系中心距离的百亿分之一。因此，对巨型黑洞“拍照”殊为不易。

通过调集世界各地的射电望远镜组成的全球干涉阵列，视界面望远镜团队成功地对银河系中心和位于室女座的椭圆星系M87中心黑洞成像，具有里程碑式意义。选择M87和银河系中心的巨型黑洞，是因为这两个巨型黑洞对地球的张角最大。绝大部分活动星系核中心的巨型黑洞距离地球太过遥远，无法被直接空间分辨。

视界面望远镜获得人类第一张黑洞照片。图片取自视界面望远镜合作组

更遥远的巨型黑洞怎么办？

与银河系和M87中心巨型黑洞不同，在活动星系核及类星体（光度最高的活动星系核子类）中心巨型黑洞正快速吸积气体，是研究黑洞质量增长的关键研究对象。为此，天文学家以时间换空间，利用活动星系核的时变分辨这些巨型黑洞的吸积盘结构。两种与时域有关的方法分别是连续谱反响映射和微引力透镜观测。连续谱反响映射测量活动星系核不同波长处连续谱辐射的“回响”。微引力透镜观测透镜化类星体由于透镜星系中恒星引力透镜效应造成的光变。两种分辨巨型黑洞吸积盘的方法给出的吸积盘尺寸显著大于经典吸积盘理论预期，被称为“吸积盘尺寸超标”问题，表明天文学家对巨型黑洞的质量吸积过程认识并不完整。

反响映射示意图

类星体微引力透镜示意图

本文介绍了连续谱反响映射和微引力透镜观测两种方法的基本原理，综述了“吸积盘尺寸超标”问题的观测和理论研究进展。

• 孙谋远, 周淑英. 分辨超大质量黑洞吸积盘的结构. 科学通报, 2024, 69(13): 1686–1697

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