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上海天文臺參與利用河外水超脈澤盤精確測量黑洞質(zhì)量

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上海天文臺參與利用河外水超脈澤盤精確測量黑洞質(zhì)量

摘要: 　　中國科學(xué)院上海天文臺科研人員參與國際合作性學(xué)習(xí)項目——超脈澤宇宙學(xué)項目（Megamaser Cosmology Project; MCP），并完成了對5個河外水超盤脈澤系統(tǒng)的黑洞質(zhì)量測量工作，為學(xué)習(xí)水超脈澤盤星系中星系與超大質(zhì)量 ...

　　中國科學(xué)院上海天文臺科研人員參與國際合作性學(xué)習(xí)項目——超脈澤宇宙學(xué)項目（Megamaser Cosmology Project; MCP），并完成了對5個河外水超盤脈澤系統(tǒng)的黑洞質(zhì)量測量工作，為學(xué)習(xí)水超脈澤盤星系中星系與超大質(zhì)量黑洞的共同演化提供了新的樣本。目前該工作已經(jīng)發(fā)表于近期的國際天文期刊天體物理學(xué)報（Astrophysical Journal）。
　　現(xiàn)今的學(xué)習(xí)結(jié)果表明，超大質(zhì)量黑洞普遍存在于星系的核心區(qū)域當(dāng)中。并且，黑洞的存在與活動并不是完全獨(dú)立于宿主星系的，而是兩者之間存在一種共同演化關(guān)系，因此對星系演化的學(xué)習(xí)必須考慮到超大質(zhì)量黑洞自身的性質(zhì)與演化。描述超大質(zhì)量黑洞的基本物理量包括其黑洞質(zhì)量與自旋等，其中黑洞質(zhì)量又是最基本的物理量。然而，對于黑洞質(zhì)量的測量卻并不容易。
　　傳統(tǒng)測量黑洞質(zhì)量的方法主要分為直接和間接兩類：直接的方法也即動力學(xué)方法，主要通過測量黑洞引力勢阱中某一試驗粒子的運(yùn)動軌跡，從而通過牛頓第二定律確定中心引力場的大小。間接的方法主要是通過觀測吸積盤的輻射、噴流的強(qiáng)度等，結(jié)合相關(guān)的輻射理論模型或利用其他經(jīng)驗關(guān)系來估算中央黑洞質(zhì)量的大小。相比于間接測量方法，直接測量的方法由于是完全建立在動力學(xué)之上的，所依賴的模型參數(shù)最少，因此也被認(rèn)為是最可靠的方法。
　　然而，盡管動力學(xué)質(zhì)量測量在原理上并不復(fù)雜，但在實(shí)際觀測中卻并不容易實(shí)現(xiàn)，而這主要是受限于觀測設(shè)備與觀測條件。受制于空間分辨率的限制，傳統(tǒng)的以光學(xué)觀測來進(jìn)行動力學(xué)黑洞質(zhì)量測量的工作只能在非常近鄰的區(qū)域中開展，因而此方法測量得到的黑洞質(zhì)量數(shù)量也非常有限。河外水超盤脈澤系統(tǒng)為動力學(xué)黑洞質(zhì)量測量提供了一種新的方法。
　　在該類天體中，在距離河外星系中心超大質(zhì)量黑洞大致1 秒差距（parsec; pc，1秒差距=31萬億千米）區(qū)域的吸積盤上分布著大量可以產(chǎn)生22 GHz水超脈澤輻射的水分子，并且這些水分子隨著吸積盤圍繞中心超大質(zhì)量黑洞進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。由于脈澤輻射的準(zhǔn)直性和其輻射放大的特性，通過甚長基線干涉測量（Very long Baseline Interferometry， VLBI）技術(shù)，每個脈澤斑的空間位置以及視向速度都可以被精確地測量出來。先前的學(xué)習(xí)者對脈澤盤原型NGC 4258的學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)，其水超脈澤輻射很好地示蹤了一個作開普勒運(yùn)動的分子盤，并且由脈澤斑所構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)曲線可精確地限制中心黑洞質(zhì)量（誤差可達(dá)到3%）。
　　基于對NGC 4258的學(xué)習(xí)，由前美國國家射電天文臺臺長魯國鏞等發(fā)起、由美國國家射電天文臺Jim Braatz博士領(lǐng)導(dǎo)的國際學(xué)習(xí)團(tuán)隊于2009年開展了利用河外水超脈澤源對星系中心超大質(zhì)量黑洞進(jìn)行動力學(xué)質(zhì)量測量的學(xué)習(xí)項目，該項目也是利用河外水超脈澤源對哈勃常數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性測量（即Megamaser Cosmology Project; MCP）的子學(xué)習(xí)項目之一。該項目計劃在北半球天區(qū)距離我們50-200 Mpc的范圍內(nèi)搜尋到數(shù)十個類似NGC 4258的河外水超盤脈澤源從而能精確測量出其中心黑洞質(zhì)量。
　　上海天文臺的高峰在博士學(xué)習(xí)期間參與到了MCP學(xué)習(xí)項目當(dāng)中，并且完成了對5個河外水超盤脈澤系統(tǒng)的黑洞質(zhì)量測量工作。至此，通過河外水超盤脈澤方法確定的黑洞質(zhì)量個數(shù)已增加到21個（至今共有109個星系中已發(fā)表由動力學(xué)方法測定出的黑洞質(zhì)量）。
　　高峰表示，這些新近完成的黑洞質(zhì)量測量為學(xué)習(xí)水超脈澤盤星系中星系與超大質(zhì)量黑洞的共同演化提供了新的樣本，在由MCP項目成員同時期完成的另一篇學(xué)習(xí)工作當(dāng)中，由普林斯頓大學(xué)教授Jenny Greene帶領(lǐng)的團(tuán)隊完成了對這些新發(fā)現(xiàn)的水超盤脈澤源的光學(xué)觀測學(xué)習(xí)，并且證實(shí)了先前提出的結(jié)論——水超盤脈澤系統(tǒng)中宿主星系與超大質(zhì)量黑洞并不滿足經(jīng)典的黑洞質(zhì)量與恒星速度彌散之間的關(guān)系。
　　近年來，隨著現(xiàn)今世界上在毫米/亞毫米波段接收面積最大、空間分辨率最高的阿塔卡馬大型毫米/亞毫米波干涉陣ALMA (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array)的落成，一種全新的黑洞質(zhì)量測量方法——利用一氧化碳分子作為試驗粒子來示蹤黑洞附近粒子的運(yùn)動軌跡，從而精確測量黑洞質(zhì)量，正在得到快速的發(fā)展。由于在毫米/亞毫米波的觀測不再受到大氣視寧度的影響，科研人員觀測的空間分辨率由觀測波長以及望遠(yuǎn)鏡的口徑或干涉陣中最長基線來決定。對于ALMA而言，在1.3mm波段處，最長基線15 km所對應(yīng)的空間分辨率約為18毫角秒，相比地面的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡分辨率足足提高了近30倍，因此可對更遙遠(yuǎn)的星系進(jìn)行動力學(xué)黑洞質(zhì)量測量。不過，由于一氧化碳?xì)怏w廣泛存在于星系中，并且其輻射是各向同性的，在實(shí)際測量中需要排除星系其他區(qū)域一氧化碳?xì)怏w的影響，相比而言，在水超盤脈澤星系中，脈澤斑只出現(xiàn)在有限的區(qū)域當(dāng)中，因此此種方法不會受到星系其他動力學(xué)成分的干擾，在測量精度上仍然是最高的。
　　文章鏈接上海天文臺參與利用河外水超脈澤盤精確測量黑洞質(zhì)量  |  責(zé)任編輯：蟲子
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