日前，位于智利北部阿塔卡玛沙漠的大型毫米亚毫米波阵列（ALMA）以其超高的分辨率，拍到了一个活跃的超大质量黑洞周围酷似甜甜圈的环状物。这类旋转结构早在几十年前就被第一次提出过，不过这次是有史以来第一次被如此明确地观测到。这被认为是人类认识超大质量黑洞及其宿主星系如何共同演化的非常重要的一步。
图为棒旋星系M77的中心区域。哈勃望远镜拍摄到了星系中恒星的分布，ALMA则揭示了星系核心区域气体的分布——它拍到了半径700光年的马蹄状结构以及半径约为20光年的紧密环状结构。（来源： ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Imanishi et al., NASA/ESA Hubble Space Telescope and A. van der Hoeven）
现在认为几乎所有星系的核心都隐藏着一个巨大的黑洞。研究者们很早就知道，星系的质量越大，核心黑洞的质量也越大——这听上去非常合理的。但是宿主星系的质量通常要比核心黑洞大上百亿倍，这两个在尺度上迥然不同的物体想要直接相互影响应该是十分困难的，并且，二者之间的关系将如何往下发展呢？为解决这个扑朔迷离的问题，一组天文学家利用ALMA的高分辨率观测了棒旋星系M77的核心。M77的中心区域是一个活动星系核，英文缩写为AGN（active galactic nucleus），周围的物质正在迅猛掉入核心超大质量黑洞并发出强光。活动星系核还能极大地影响周围的环境，因此他们是解决星系与黑洞共同演化之谜的关键角色。
图为M77星系核心超大质量黑洞周围的气体运动。朝向我们运动的气体被标为蓝色（蓝移），远离我们的被标为红色（红移）。气体正以黑洞为中心旋转。（来源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Imanishi et al.）
研究小组拍摄了M77星系超大质量黑洞的周围区域，解析出一个半径约20光年的紧密的气态结构。不出所料，天文学家发现这个紧密的结构正在围绕黑洞旋转。他们在2月份《天体物理学报 通讯》杂志上发表了研究成果。论文第一作者，日本国立天文台的今西昌俊（Masatoshi Imanishi）说：“为解释活动星系核各种被观测到的特征，天文学家们设想了一种在活跃的超大质量黑洞周围旋转的甜甜圈状的气体尘埃结构，这被称为活动星系核的‘统一模型’。然而，由于星系距离遥远，这个甜甜圈在外观上太微小了。借助ALMA的高分辨率，现在我们可以直接看见它的结构。”许多天文学家之前都观测过M77星系的核心，但这个存在于理论模型中的高速旋转的甜甜圈却从未被看得如此清楚。除了ALMA出众的分辨率之外，选择观察合适的分子发射谱线也是揭示此种结构的关键所在。研究小组观测了来自氰化氢分子（HCN）和甲酰基离子（HCO+）的特征谱线，这些分子只有在稠密的气体中才会有射电波段辐射。可想而知，这种活动星系核周围的环状结构应该是非常密集的。
ALMA拍摄的环绕活动星系核的气体环状物，红色表示甲酰基离子（HCO+）的发射谱，绿色表示氰化氢（HCN）的发射谱。（来源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Imanishi et al.）
此前的观测表明，这个气体尘埃环是东西方向延伸的，对ALMA的数据分析也显示实际情况与预期的高度吻合。有趣的是，超大质量黑洞周围的气体分布远比一个简单的统一模型所预言的要复杂得多。这个环状结构并不是对称的，而且它的旋转也不仅仅是跟着黑洞的引力走——它还同时存在高度随机的运动状态。这些事实表明这个活动星系核可能有过一段动荡的历史，或许和一个质量较小的星系发生过合并。
图为活跃的超大质量黑洞周围的气体尘埃环状结构的艺术想象图。ALMA第一次如此清晰的对这个环状物的旋转进行了成像。（来源： ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)）
无论如何，对这个旋转的环状结构新的认知是一个重要的进步。我们居住的银河系中心也有一个超大质量黑洞（约为400万倍太阳质量），然而这个黑洞却处在非常宁静的状态中，只有少量的气体正在被吸入其中。因此，要想深入细致的研究活动星系核，天文学家们必须观测远距离的星系核心。M77距离我们约4700万光年，其核心是最近的活动星系核之一，因此它是一个非常不错的研究样本。
原文链接：https://alma-telescope.jp/en/news/press/m77-201802?utm_source=Facebook&utm_medium=social&utm_campaign=SocialSignIn
原文标题：Rotating Dusty Gaseous Donut around an Active Supermassive Black Hole
编译：Feihong Ling
审稿：水兄
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