新發現證實：磁場對黑洞附近氣體吸積有重要影響

(中央研究院天文及天文物理研究所研究成果發表，時間：2018年8月17日)

究竟磁場是不是氣體在吸積至超大質量黑洞過程中的重要引導力？超大黑洞如何吸積氣體？磁場扮演什麼作用？在我們銀河系中心，就有個大家都特別關心的超大質量黑洞，但前述這些和磁場及大黑洞相關的諸多疑問，迄今我們的了解仍很有限，尤其天文學家在觀測磁場方面，可說困難重重。日前由中央研究院天文及天文物理研究所謝佩穎博士主導的團隊，藉使用詹姆斯克拉克馬克斯威爾望遠鏡（James Clerk Maxwell Telescope，以下簡稱JCMT，隸屬「東亞天文臺」）上的天文儀器，在測量磁場方面，取得令人振奮的成果。在這項最新研究中，他們觀測了人馬座 A*──位在我們銀河系中心的超大質量黑洞──獲得明確數據顯示其磁場方向與繞著人馬座A *的分子環和電離螺旋呈現對齊。本項結果已出版在2018年8月號的天文物理學期刊 (Astrophysical Journal)。

謝佩穎博士說：「我們證實了磁場對黑洞附近的氣體內流有重要影響力，在新儀器提供的高解析度下，臺灣團隊看到了本來看不到的微弱磁場結構。」

用塵埃偏振資料把磁場方向繪製成像並詳細比較後發現：塵埃磁場方向對齊於環核盤。

人馬座A*是位在銀河系中心的超大質量黑洞，英文名Sagittarius A*，大家常看到天文學文獻中它縮寫為SgrA*。在天文物理學家心目中，它可說是夜空中能讓我們去觀測「黑洞如何吃東西」的一間最佳實驗室，因為在所有黑洞中，人馬座A*離我們最近，過去數十年來許多探討氣體吸積現象的天文學者，都把研究努力投注在人馬座A*這個天體，如果我們想了解超大質量黑洞何以能釋放出那麼巨大的能量，去觀測氣體如何吸積到這些大黑洞的表面上，可以取得關鍵性的看法。

繞著人馬座A*旋轉的分子雲「甜甜圈」（即「環核盤」: circumnuclear disk）內部有數個螺旋狀的電離氣體，稱為「迷你螺旋」。據推測，迷你螺旋是源於環核盤的內圈邊緣上。這個環核盤是靠我們人馬座A* 最近的一座「糧倉」！要進一步了解像人馬座A*這樣的大黑洞究竟如何進食，查清楚這個環核盤的底細無疑很重要。然而，自從50年前環核盤和迷你螺旋獲得發現以來，天文學家一直在費心尋找環核盤和迷你螺旋兩者間具有相關性的物理證據，可惜，都一無所獲。

過去幾十年當中，對於在人馬座A* 附近的軌道運動，天文學家已完成大量測量，但相對而言，另一項對這些運動同樣深具影響的力：磁場，卻幾乎什麼都沒測到。這完全是因為塵埃的磁場很微弱的關係，因此所產生的偏振訊號也非常弱，難以測量。然而，大家公認，磁場，是影響黑洞附近氣體運動的一雙「重要卻未見之手」，原因是，磁壓力施加在轉動盤上，可形成扭距，這從旋轉氣體中提取角動量，所以驅動了氣體的流入。另外，磁張力或許可以把（尚在環核盤中的）氣體於踏上黑洞「不歸路」之前拉回來。臺灣天文團隊利用夏威夷毛納基峰海拔4000米的優良大氣條件，加上15米寬的JCMT望遠鏡的大口徑等優勢，取得了在銀河系中心的次毫米波偏振數據，據以了解在銀河系核心區域的磁場性質究竟是什麼。

謝佩穎團隊利用 JCMT-SCUPOL 這座空間解析力較上一代更高的天文儀器獲得塵埃偏振資料，進而把磁場方向繪製成像，並再與「次毫米陣列」 (SMA) 之高解析環核盤詳細比較，結果發現，塵埃磁場方向對齊於環核盤。而且在最內側觀測到的磁場線也看得出它（環核盤）和迷你螺旋，無論從「示蹤」（trace）或「對齊」方面來看，都呈現一致。自從50年前發現環核盤和迷你螺旋以來，這是第一次有人嘗試著把氣體內流的數據足跡「畫」出來。此外，將環核盤和迷你螺旋視為「同一氣體內流系統」的這個關鍵概念，在本次模型與資料比較中，也得到證實。

研究團隊本次發現，磁場對環核盤和迷你螺旋運動具顯著意義，因磁場能引導來自環核盤之電離粒子的運動，正是這種運動產生了在觀測上所看到的迷你螺旋狀的特徵，這也顯示出磁場氣體流入的具體結構。並且，這項發現同樣可以運用在其他星系中，藉以了解氣體流入其他星系中心超大質量黑洞的情景，可能是如何發生。

左上的彩色合成圖像中，藍色代表環核盤（SMA），是由次毫米波陣列取得的分子氣體的示蹤圖，紅色是迷你螺旋，由特大天線陣 (VLA) 6 釐米示蹤顯示。JCMT-SCUPOL 的資料和磁場模型圖分別是在右上、左下，以白色線條顯示。人馬座A*的位置以黑色十字標記。環核盤是隨銀河系超大質量黑洞自旋而旋轉的一個由分子氣體形成的環狀”甜甜圈”。據推測，迷你螺旋是源自環核盤的內圈邊緣位置，磁場線與環核盤和迷你螺旋的排列呈現對準，說明二者磁場相干。

研究發現，磁場能夠把電離粒子從環核盤引導到迷你螺旋，呈現人馬座A* 附近的氣體吸積之足跡。在右下圖顯示的是2017年用JCMT新一代的儀器 POL-2 獲得的最新塵埃偏振資料，以白色線段顯示磁場。較上一代更佳的靈敏度，清楚讓我們看到環核盤與迷你螺旋的相關，這證實了研究團隊的圖片結果。（圖像版權：謝佩穎團隊/中研院天文所/東亞天文臺 JCMT 望遠鏡）

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影片中一開始出現的是環核盤（藍色），是「次毫米波陣列」（SMA）取得的分子氣體示蹤圖，隨後出現的是紅色的「迷你螺旋」，由「特大天線陣」(VLA)取得，接著出現了以黃色短線條代表的由模型所預測的偏振圖，經過本研究團隊實際以東亞天文臺儀器SCUPO觀測到塵埃偏振結果，經比對得知，正和模型吻合。最後以綠色線段出現的是東亞天文臺儀器POL-2所觀測到的，靈敏度更高，看到更多細節。(影像版權：謝佩穎團隊/中研院天文所/東亞天文臺 JCMT望遠鏡，影片製作：黃珞文/ASIAA)

本研究論文發表於2018年8月2日出版的天文物理期刊，論文名稱為：“A Magnetic Field Connecting the Galactic Center Circumnuclear Disk with Streamers and Mini-Spiral -- Implications from 850-micron Polarization Data”，第一作者為謝佩穎。連結為 [http://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/aacb27, preprint: https://arxiv.org/abs/1806.02719].

研究團隊名單：謝佩穎 (中研院天文所); 高培邁 (中研院天文所); Kim, Woong-Tae (SNU); 賀曾樸（中研院天文所; 東亞天文臺）; 湯雅雯（中研院天文所）; 王祥旭（香港中文大學）.

This research is supported by the Ministry of Science and Technology (MoST) of Taiwan through the grants MoST 105-2811-M-001-141, MoST 106-2811-M-001-136, MoST 104-2119- M-001-019-MY3, MoST 105-2112-M-001-025-MY3, Academia Sinica Career Development Award, and the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korea government (MEST; No. 3348-20160021).