近期，中国科学院上海天文台安涛研究员参与的国际团队通过对近邻星系NGC4258星系核心的吸积盘脉泽开展空间VLBI观测，发现存在周期性吸积盘不稳定性的证据。天文学家基于超高分辨率的VLBI技术来观测黑洞周围气体吸积盘的性质，以脉泽源作为示踪天体，揭示了吸积盘中存在的磁流体动力学不稳定性，推进了对吸积盘动力学性质的理解。相关研究成果在2022年6月30日的《自然-天文学》上在线出版。 

　　科学家在宇宙中观测到来自星际空间的类似激光器的受激辐射源，并将其称为"天体脉泽"以区别于实验室的激光器。科学家已经观测到水（H₂O）、羟基（OH）、甲醇（CH₃OH）、甲醛（H₂CO）和一氧化硅（SiO）等分子的天体脉泽。天文学家认为，宇宙中的超级水脉泽（H₂O MegaMaser）可能来自像NGC4258这样的活跃星系中心的大质量黑洞周围的薄气体盘或者喷流，但导致脉泽辐射放大的物理条件仍不清楚。脉泽发射区的结构非常复杂，最致密的脉泽团块嵌在吸积盘的最致密的分子云团。脉泽能够直接示踪吸积盘的动力学，对黑洞等天体物理研究有极高的价值。但是开展这项研究，需要天文学家使用极高分辨率的观测技术才能探测到其细节结构。 

　　甚长基线干涉测量（VLBI^[1]）是天文学中最高分辨率的观测技术，而脉泽和黑洞分别是VLBI天体物理研究的两类传统目标。视界事件望远镜（EHT）已经成功地观测到黑洞周边辐射区域，但是地面VLBI阵列在观测星系核中的超级脉泽时仍面临分辨率不足的挑战。为此，天文学家发展了空间VLBI^[2]，进一步提高分辨率。 

　　Willem Baan教授领导的国际合作团队从2014年开始，在3年多的时间里利用俄罗斯发射到空间的RadioAstron天文台以及地面大型射电望远镜组成的空地VLBI网，对一个距离地球约2100万光年名为NGC4258的漩涡星系开展了多次观测，最长的空地基线高达250,000公里（相当于约20倍地球直径），角分辨率达到11微角秒，是迄今最高分辨率的记录。在如此高的分辨率下，能够分辨出吸积盘中尺寸约60倍天文单位（1个天文单位是地球到太阳的距离，即149,598,000千米）的致密云团。观测发现，有脉泽辐射的云团分布在一个半径约为0.38光年的薄气体盘构成的吸积盘内，并随着气体盘的旋转而运动，几个云团距离星系中心的黑洞约170天文单位。当气体盘中含有水分子的气团漂移到射电喷流前面时，喷流为脉泽放大提供了背景输入光子，从而使得水分子受激放大而产生强大的水脉泽辐射。 

　　有意思的是，观测显示，几个脉泽气体团块的速度呈现出有规律的差异，而且它们的速度和强度随时间而变化。研究团队认为，这些致密脉泽云团的形成和动力学性质与吸积盘中发生的周期性磁旋转不稳定性有关。吸积盘中的校差旋转会驱动产生剪切不稳定性，吸积盘通过这种湍流的不稳定性调节径向动量传递和粘滞性。中国科学院上海天文台的安涛研究员参与了观测申请、科学分析和论文撰写等工作。他表示，这个过程有可能与黑洞对周围气体的吸积直接相关，这些空间VLBI观测不仅为探测黑洞周围气体吸积盘提供了前所未有的超高分辨率，而且通过使用脉泽作为媒介，揭示了吸积盘中存在的磁流体动力学不稳定性，推进了对吸积盘的动力学性质和黑洞吸积过程的理解。这个观测表明NGC4258吸积盘中存在着满足放大水分子谱线的物理条件的区域，团队研究认为磁旋转不稳定性是产生这些高密度区域的机制。MRI过程与造成径向动量转移的粘滞和湍流相联系，未来的研究将探索这种剪切不稳定性如何促进或驱动黑洞吸积。 

上图: 吸积盘中磁旋转不稳定性的示意图；下图: 观测到的水脉泽的谱型，显示了几个脉泽云团的速度呈现出规律性变化。 

[1] VLBI： 

　　甚长基线干涉测量法（VLBI）将分布在不同地点的射电望远镜综合起来，达到一个超级望远镜的效果，是迄今为止角分辨率最高的天文观测技术，被广泛应用于天体物理、天体测量和深空探测。根据电磁学的基本原理，望远镜的角分辨率大约等于观测波长除以天线孔径。对于VLBI系统来说，通过无线电波的干涉技术，有效孔径相当于基线长度（基线指两个射电望远镜之间的距离），地球上VLBI阵列的最长基线可以达到10000公里，是最大单口径望远镜的2万倍，因此观测分辨率也高出4个量级。目前地球上角分辨率最高的VLBI阵列是事件视界望远镜（EHT），其最大等效孔径与地球直径相当，最高角分辨率为20微角秒，已成功观测到银河系中心和M87星系中心的超大质量黑洞周围的辐射。 

[2] 空间VLBI： 

　　在上个世纪成功利用VLBI技术进行观测后不久，天文学家就敏锐地意识到，地基VLBI的最长基线不能超过地球的直径，因此其最大的角分辨率也有限制。为了打破这个限制，天文学家们把目光转向了广袤的太空，想到把射电望远镜发射到太空，与地基或其他天基射电望远镜装置组成空地或空间VLBI阵列，其基线长度就能超过地球的直径，从而获得更高的角分辨率，这就是空间VLBI（SVLBI）的概念。除了高分辨率的优势外，空间望远镜的观测不受或少受地球大气层的影响，因此数据质量高于地基VLBI；空间望远镜所处的电磁环境优越，更适合进行地面无法或难以进行的低频和高频无线电观测。从长远来看，空间VLBI是VLBI发展的必然趋势，国内外都在积极发展这项技术。两个具有代表性的空间VLBI项目是日本的VSOP和俄罗斯的RadioAstron，这两个项目都在VLBI天体物理学研究领域取得了令人瞩目的科学突破。近年来，中国科学院上海天文台也提出了空间低频射电天文台的概念，即向太空发射两台射电望远镜，单独连线观测，或与地面上100米口径以上的大型射电望远镜联合组成更强大的空地VLBI网络，在低频段具有高灵敏度的同时，具有更高的分辨率和更好的成图能力。 

论文链接： https://www.nature.com/articles/s41550-022-01706-y  

科学联系人： 

Willem Baan，中国科学院新疆天文台，baan@astron.nl 

安涛，中国科学院上海天文台，antao@shao.ac.cn