银心超大质量黑洞及其多波段观测
李璠[SC06022007] 吴茂春[SC06022008] 于雨[SC06022010]
摘要
这篇文章综述了近年来对银河系中心大质量黑洞的研究状况，观测数据表明Sgr A*位于银河系动力学中心,是个亮温度极高,射电谱很平坦的致密天体,Sgr A*被公认为是银河系超大质量黑洞的最佳候选体。本文第一部分介绍了超大质量黑洞的概念和银心的基本结构，第二部分给出Sgr A*位置的观测和银心暗天体的各种模型，第三部分介绍了近年来国内外对Sgr A*的多波段观测及其数据处理结果，最后一部分简单介绍了关于Sgr A*吸积的理论模型。
关键词Sgr A*非热射电源光变 flare 吸积 ADAF超大质量黑洞（SMBH）Part I
1超大质量黑洞
按照黑洞可能形成的机制,人们把黑洞主要分为三种。第一种黑洞是早期宇宙高密度介质中由于密度涨落而形成的小黑洞，这种微型黑洞的质量大约为1012kg。第二种是作为正常恒星演化到晚期，引力塌缩形成的，大约是几个到几十个太阳质量大小的黑洞。第三种是超重星，星团或星系核塌缩形成的巨型黑洞，其质量大约是104~109太阳质量量级.
对于只有几十个太阳质量大小的黑洞，人们根据恒星的演化理论知道它的形成机制。但是对于超大质量黑洞的形成机制人们并不清楚，同时发现在许多星系中心区域，非常小的范围之内却拥有巨大的能量，使人们想到只能用超大质量黑洞的吸积来解释比较合理。在六十年代，巨型黑洞首次被用来解释活动星系核的巨大能量。如今，哈勃太空望远镜升空观测表明黑洞存在于每个星系之中。黑洞的成长与寄主星系的形成之间有紧密的联系。目前，关于超巨黑洞的形成主要有两种理论。一种观点认为，它可能是随着星系的诞生一次性产生的。但也有天文学家推测，超巨黑洞是以质量更小的黑洞为基础形成的，后者就好比是一些“种子”，随着时间的推移小黑洞吸积它附近的物质而逐渐长大,慢慢形成了巨型黑洞。
黑洞通过其强大的引力俘获周围物质的过程称为吸积(accretion)，黑洞的强大引力会不断吸引和捕获其周围的物质，所吸积的物质可能是星际气体与尘埃，也可能是近邻恒星的表层物质，或是被黑洞的潮汐力完全撕裂的恒星之碎片,当这些物质在向黑洞坠落的途中会不断地释放出引力势能，产能效率约为10％~40％左右,比核聚变反应的产能效率要高很多倍。一般情况下，被吸积的物质具有一定的角动量，因而不大会沿径向直接下落到黑洞，最大可能是沿螺旋形轨道边旋转边下坠，在黑洞周围形成一个扁平的盘状物，这就是吸积盘。有的吸积盘中有快速运动的喷流从吸积盘喷出。观测到的许多活动星系核的吸积盘、喷流和辐射爆发都是对巨型黑洞假说的非常有力的支持。
由于进入黑洞的任何东西，包括光线，都无法逃离黑洞引力场，因此主要是通过黑洞与周围天体相互作用来发现它们。银河系中心的Sagittarius A*就被公认为是一个超大质量黑洞的候选者. 通过多波段的包括红外、射电和X射线观测显示Sgr A*是一个致密的非热射电源。
2·银心的基本结构
多年的观测表明，银心区主要包含6种基本成分：中央暗天体、年轻星团、分子气体尘埃环----CND、电离气体流柱、弥漫热气体以及超新星遗迹。在银心几百pc尺度内的基
本结构如下: 中央分子带CMZ（Central Molecular Zone）内部除低速成分外还有大量的超新星遗迹（SNR）、射电弧(Arc)、线状体（Threads）、非热丝状体（filaments，NTF）、大质量恒星形成的HII区和分子云复合体等，如Sgr B2、Sgr C、Sgr D。还有个与银心Sgr A复合体成协的云，称为50km·s-1云，它毗邻银河系中心。
图1
图1是90cm波段上VLA高分辨的银心结构图。图中可以清楚地看到银心区±200pc 内的各种结构。文献给出了23个延伸源和78个小直径源（＜1′）前者均为SNR、NTF和HII区；后者一半是河外射电源，另一半可能是HII区。(引自Pedlar et al.[1989], LaRosa et al.[2000]和GCNews)
在银心附近更小尺度上（≈50pc×50pc），呈现出一个形态复杂的复合体Sgr A，从射电连续发射图上可以看到它的两个明亮的特征：Sgr A East和Sgr A West。Sgr A East可能是个超新星遗迹，与50km·s-1分子云成协。Sgr A West的尺度≈3pc，它为核周盘CND
所包围，盘内最有趣的特征是有一个直径为2″（≈0.08pc）的微腔体（Mini-Cavity）和3条微旋臂（Mini-Spiral），前者毗邻Sgr A*和红外源IRS16（亮蓝星团）。图2示意了银心区更小尺度上的结构，（a）图尺度为100pc，（b）图尺度为3pc。
PartII
1 SgrA*的位置的观测
SgrA*是位于复合体Sgr A中心的一个致密的非热射电源。与Sgr A West中最亮的红外源IRS16相距≈1″，被公认为银河系动力学中心。Balick和Brown（Balick B，Brown R L. ApJ，1974，194：265）于1974年的射电干涉观测中第一次发现银心处有一个射电致密源，1982年Brown将这个不可分解的射电源命名为Sgr A*，以区别更延展的Sgr A复合体。Sgr A*极其致密，亮度温度极高（≥108.8K），射电谱相当平坦，是个不寻常的天体，与中央极致密的暗质量天体肯定有关。
各种观测表明Sgr A*位于银河系的动力学中心。Menten等人利用出现在红外星最内包层上的SiO和H2O脉泽具有毫角秒精度射电位置的特点，将银心的红外像与射电观测坐标系联系起来，得出了Sgr A*在银心红外星团中的位置，其精度在0.03″以内。他们发现SgrA*与任何红外源位置都不重合。Ghez等人于1998年利用银心处的恒星自行，得出引力势中心与SgrA*在0.1″范围内相符。2000年Ghez等人获得了S0-1、S0-2、S0-4这3颗恒星的加速度，并计算了它们的轨道，得出轨道的动力学中心与Sgr A*符合在0.05″以内。2003年Ghez等人用10m keck望远镜主动光学系统进行K波段光谱观测，得到银心S0-2星（O8-B0主序星，≈15 M⊙，年龄107yr）的三维加速度，并解出了该星周期为15.78yr的开普勒轨道，该星视向速度510km·s-1，考虑到切向速度，总的空间速度达到（6660±730）km·s-1。他们还解出中心暗天体的质量为（4.1±0.6）×106（D/8kpc）3 M⊙
