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黑洞“风”影响其宿主银河系的演变

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通过结合日本领先的朱雀X射线卫星和欧洲航天局的红外赫歇尔空间天文台的观测资料,科学家们将在银河系怪物黑洞附近产生的激烈“风”与一千年光年跨越。这一发现验证了一个长期可疑的反馈机制,使超大质量黑洞能够影响其宿主星系的演化。

“这是第一项直接将银河系积极'喂食'黑洞与更大物理尺度上的特征相联系的研究,”首席研究员弗朗切斯科Tombesi,美国宇航局戈达德太空飞行中心在马里兰州格林贝尔特和马里兰大学的天体物理学家,学院公园(UMCP)。 “我们检测到非常靠近黑洞的气体发光盘产生的风,并且我们表明它有责任将星形气体吹出星系中心区域。”

恒星形成发生在寒冷,密集的分子云中。通过加热和分散有朝一日可以制造恒星的气体,黑洞风会永远改变它的大部分星系。

在3月26日的“自然”杂志发表的一项研究中,Tombesi和他的团队报告称这种星系称为IRAS F11119 + 3257,简称F11119。这个星系太遥远了,它的光线已经向我们传播了23亿年,大约是我们太阳系当代的一半。

像大多数星系,包括我们自己的银河系一样,F11119拥有一个超大的黑洞,估计有一个是太阳质量的1600万倍。这个黑洞的活动由一个称为吸积盘的旋转收集气体驱动,这个吸积盘的大小是我们行星系统的几百倍。轨道物质最接近黑洞,达到数百万度的温度,这对银河系的巨大能量输出负有主要责任,超过了一万亿次太阳的能量输出。星系被尘埃严重包围,所以这些辐射大部分以红外光的形式到达我们。

em这部动画演示了黑洞反馈如何在类星体中工作。中心密集的气体和灰尘同时燃烧黑洞并将其遮挡住。黑洞风推动大规模的冷气流出,并驱动冲击波,清除中央星系的气体和尘埃。图片来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心 / em

新的发现解决了一个长期存在的难题。星系表明它们的中心黑洞的质量与恒星性质之间存在着一个相关性,这个区域被称为银河隆起。具有更大质量黑洞的星系通常具有比例更大的恒星质量和更快移动的恒星的凸起。

黑洞的生长过程与它们的宿主星系一样,通过与邻居碰撞并合并。但合并破坏了星系,导致恒星形成大大增强,并向合并的黑洞发送大量气体。这个过程应该混淆黑洞生长与星系演化之间的任何简单关系,但事实并非如此。

“这些联系表明黑洞提供了某种形式的反馈,可以调制更广泛的星系中恒星的形成,但很难看清楚,”团队成员Sylvain Veilleux,UMCP的天文学教授说。 “随着活跃黑洞星系中冷气的强大分子外流的发现,我们开始揭示这种联系。”

2013年,Veilleux利用赫歇尔空间天文台(Herschel Space Observatory)在一系列活跃星系中寻找这些外流。在F11119中,研究人员确定了以约2百万英里每小时(300万公里)的速度运动的羟基分子的强流出。其他使用不同痕量分子的研究发现了类似的流程

在本研究中,Tombesi,Veilleux和他们的同事估计,这种流出距离银河系中心多达1,000光年,并计算出它可以去除足够的气体以制造800个太阳。

2013年5月,该团队使用朱雀的X射线成像光谱仪观察F11119,获得近三天的有效曝光。这个星系的光谱表明,吸收X射线的气体以1.7亿英里/小时(2.7亿千米/小时)的速度从最内层的吸积盘向外传播,约为光速的四分之一。该地区距离黑洞边缘可能有5亿英里(8亿公里),并且距离木星离太阳不远的地方甚至没有光线可以逃脱。

“黑洞正在以尽可能快的速度吸收气体,并极大地加热吸积盘,使其产生约80%的这个星系发出的能量,”合作者MarcioMeléndez,UMCP的研究助理说。 “但是磁盘发光很快,一些气体加速离开它,产生我们观察到的X射线风。”

总之,磁盘风和分子流出完成了黑洞反馈的画面。黑洞风使冷气和尘埃运动,导致分子外流。它还加热了尘埃,遮蔽了银河系,导致形成向外移动的冲击波,冲走附加的气体和灰尘。

研究人员说,当黑洞发出最亮的光时,它也会有效地推开餐盘,清除银河中心区域的气体和灰尘,并关闭那里的恒星形成。一旦灰尘被清除,来自磁盘的较短波长的光可以更容易地逸出。

科学家们认为,像F11119这样的超光速红外星系代表了类星体演化的早期阶段,类星体在很宽的波长范围内具有极高的光度。根据这张图片,黑洞将最终消耗周围的气体,并逐渐结束其壮观的活动。就像它这样做,它将从类星体发展成具有相对较低恒星形成水平的贫气星系。

研究人员希望能够在其他星系探测和研究这一过程,并期待朱雀的后继者ASTRO-H的敏感性得到提高。 ASTRO-H预计将于2016年发射,它正在与日本宇宙航空研究开发机构空间和航天科学研究所(ISAS / JAXA)合作,与美国宇航局Goddard和日本机构合作开发。

出版物:F. Tombesi等人,“Wind from the black-hole accretion disk driving a molecular outflow in an active galaxy,”Nature 519,436-438(2015年3月26日); DOI:10.1038 / nature14261

PDF研究副本:来自黑洞吸积盘的风驱动活跃星系中的分子流出

资料来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心弗朗西斯雷迪

图片:ESA / ATG Medialab;美国宇航局戈达德太空飞行中心/ SDSS / S。 Veilleux