上海天文台参与利用河外水超脉泽盘精确测量黑洞质量

摘要: 　　中国科学院上海天文台科研人员参与国际合作性学习项目——超脉泽宇宙学项目（Megamaser Cosmology Project; MCP），并完成了对5个河外水超盘脉泽系统的黑洞质量测量工作，为学习水超脉泽盘星系中星系与超大质量 ...

　　中国科学院上海天文台科研人员参与国际合作性学习项目——超脉泽宇宙学项目（Megamaser Cosmology Project; MCP），并完成了对5个河外水超盘脉泽系统的黑洞质量测量工作，为学习水超脉泽盘星系中星系与超大质量黑洞的共同演化提供了新的样本。目前该工作已经发表于近期的国际天文期刊天体物理学报（Astrophysical Journal）。
　　现今的学习结果表明，超大质量黑洞普遍存在于星系的核心区域当中。并且，黑洞的存在与活动并不是完全独立于宿主星系的，而是两者之间存在一种共同演化关系，因此对星系演化的学习必须考虑到超大质量黑洞自身的性质与演化。描述超大质量黑洞的基本物理量包括其黑洞质量与自旋等，其中黑洞质量又是最基本的物理量。然而，对于黑洞质量的测量却并不容易。
　　传统测量黑洞质量的方法主要分为直接和间接两类：直接的方法也即动力学方法，主要通过测量黑洞引力势阱中某一试验粒子的运动轨迹，从而通过牛顿第二定律确定中心引力场的大小。间接的方法主要是通过观测吸积盘的辐射、喷流的强度等，结合相关的辐射理论模型或利用其他经验关系来估算中央黑洞质量的大小。相比于间接测量方法，直接测量的方法由于是完全建立在动力学之上的，所依赖的模型参数最少，因此也被认为是最可靠的方法。
　　然而，尽管动力学质量测量在原理上并不复杂，但在实际观测中却并不容易实现，而这主要是受限于观测设备与观测条件。受制于空间分辨率的限制，传统的以光学观测来进行动力学黑洞质量测量的工作只能在非常近邻的区域中开展，因而此方法测量得到的黑洞质量数量也非常有限。河外水超盘脉泽系统为动力学黑洞质量测量提供了一种新的方法。
　　在该类天体中，在距离河外星系中心超大质量黑洞大致1 秒差距（parsec; pc，1秒差距=31万亿千米）区域的吸积盘上分布着大量可以产生22 GHz水超脉泽辐射的水分子，并且这些水分子随着吸积盘围绕中心超大质量黑洞进行旋转运动。由于脉泽辐射的准直性和其辐射放大的特性，通过甚长基线干涉测量（Very long Baseline Interferometry， VLBI）技术，每个脉泽斑的空间位置以及视向速度都可以被精确地测量出来。先前的学习者对脉泽盘原型NGC 4258的学习发现，其水超脉泽辐射很好地示踪了一个作开普勒运动的分子盘，并且由脉泽斑所构成的旋转曲线可精确地限制中心黑洞质量（误差可达到3%）。
　　基于对NGC 4258的学习，由前美国国家射电天文台台长鲁国镛等发起、由美国国家射电天文台Jim Braatz博士领导的国际学习团队于2009年开展了利用河外水超脉泽源对星系中心超大质量黑洞进行动力学质量测量的学习项目，该项目也是利用河外水超脉泽源对哈勃常数进行系统性测量（即Megamaser Cosmology Project; MCP）的子学习项目之一。该项目计划在北半球天区距离我们50-200 Mpc的范围内搜寻到数十个类似NGC 4258的河外水超盘脉泽源从而能精确测量出其中心黑洞质量。
　　上海天文台的高峰在博士学习期间参与到了MCP学习项目当中，并且完成了对5个河外水超盘脉泽系统的黑洞质量测量工作。至此，通过河外水超盘脉泽方法确定的黑洞质量个数已增加到21个（至今共有109个星系中已发表由动力学方法测定出的黑洞质量）。
　　高峰表示，这些新近完成的黑洞质量测量为学习水超脉泽盘星系中星系与超大质量黑洞的共同演化提供了新的样本，在由MCP项目成员同时期完成的另一篇学习工作当中，由普林斯顿大学教授Jenny Greene带领的团队完成了对这些新发现的水超盘脉泽源的光学观测学习，并且证实了先前提出的结论——水超盘脉泽系统中宿主星系与超大质量黑洞并不满足经典的黑洞质量与恒星速度弥散之间的关系。
　　近年来，随着现今世界上在毫米/亚毫米波段接收面积最大、空间分辨率最高的阿塔卡马大型毫米/亚毫米波干涉阵ALMA (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array)的落成，一种全新的黑洞质量测量方法——利用一氧化碳分子作为试验粒子来示踪黑洞附近粒子的运动轨迹，从而精确测量黑洞质量，正在得到快速的发展。由于在毫米/亚毫米波的观测不再受到大气视宁度的影响，科研人员观测的空间分辨率由观测波长以及望远镜的口径或干涉阵中最长基线来决定。对于ALMA而言，在1.3mm波段处，最长基线15 km所对应的空间分辨率约为18毫角秒，相比地面的光学望远镜分辨率足足提高了近30倍，因此可对更遥远的星系进行动力学黑洞质量测量。不过，由于一氧化碳气体广泛存在于星系中，并且其辐射是各向同性的，在实际测量中需要排除星系其他区域一氧化碳气体的影响，相比而言，在水超盘脉泽星系中，脉泽斑只出现在有限的区域当中，因此此种方法不会受到星系其他动力学成分的干扰，在测量精度上仍然是最高的。
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