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小小星际尘埃或为黑洞“吹出”的高速外流“加油”

来源: 驱动之家
2023-11-09 23:48:40

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2月12日,国际知名学术期刊《科学进展》在线发表了中国科学技术大学物理学院天文学系王挺贵教授与刘桂琳教授团队特任副研究员何志成的一项最新研究发现,何志成创建了一套全新的测量星系电离气体物理性质的方法,并首次发现活动星系(具有激烈活动的星系)中心高速外流在百光年尺度上存在加速现象,该尺度超出经典的黑洞—吸积盘风尺度两个数量级以上。

高速外流影响星系演化

目前的星系形成与演化理论认为,一般而言,星系中心都活跃着一个超大质量黑洞,这种巨型黑洞的质量可超过10亿倍太阳质量,而它所释放的巨大能量会有效调节星系演化,阻止星系生长得过于庞大,这种机制被称为“活动星系核反馈机制”。

活跃的超大质量黑洞作为活动星系中心的“引擎”,吸积黑洞周围物质时,会形成旋转的吸积盘,将大量的气体电离并“吹向”星际空间,形成高速外流。这种高速外流的速度可以达到光速的十分之一,由此产生的强烈电磁辐射强度可超过其所在星系恒星光度(即电磁辐射的强度)总和的千倍,对其所在星系的整体演化产生重要影响。而这种外流将物质和能量从星系核区“搬运”至星系的外围,是活动星系核反馈机制的主要形式之一。然而,迄今为止人们对活动星系高速外流的物理属性、起源、加速机制及其对星系演化的具体影响等仍然知之甚少。

高速外流的尺度是理解其起源及衡量其对星系环境影响的核心参数之一。这是因为高速外流的尺度和星系的尺度一样大,才能和整个星系中的物质发生相互作用,进而影响整个星系的演化。

但科学家想要研究星系的高速外流,却并不容易。由于宇宙中的星系距离地球都比较遥远,从地球来看,这些星系的高速外流尺度很小,在图像上仅仅是一个“点”,无法直接推断出其具体的大小。

此前,学界普遍采用对密度较为敏感的离子激发态吸收线来推算高速外流尺度,但这种方法技术复杂,对高速外流的气体密度测量不够精确,导致对高速外流尺度的测量结果受到影响。因此,近30年来,人们利用这种方法仅推算出了数十个活动星系的高速外流尺度,并且在尺度的数量级上仍然存在争议。

百光年尺度上的加速现象

高速外流的起源、尺度以及能量等关系到超大质量黑洞的吸积过程以及星系的演化。科学家认为,高速外流很可能抑制了星系中的恒星形成。为了获得这一问题的确切的答案,何志成不停地进行着尝试和探索。为了突破困境,他另起炉灶,从吸收线光变(即吸收线深度或速度产生的变化)的新视角提出测量高速外流物理参数的新手段,并利用斯隆大样本巡天数据,发现大部分高速外流尺度在数十光年以上,并且其能量足以影响所在星系的整体演化。2019年,他的这项研究成果发表在《自然·天文学》杂志上。

此后,何志成又历经了数年努力,开发出一种同时利用响应函数幅度和相位信息的新方法,成功地获得了类星体(距离地球最远、光度最大的一类活动星系)高速外流的运动学信息。利用这种新方法,何志成首次发现活动星系中心高速外流在百光年尺度上的加速现象,而且超出经典黑洞—吸积盘风尺度100倍以上。

星际尘埃或是提速“引擎”

接下来的问题是,这些高速外流起源何方?它们的加速机制又是什么?何志成等人猜想,星际尘埃极有可能在高速外流加速过程中扮演着重要角色,因为尘埃与黑洞吸积盘紫外辐射的作用截面远远大于自由电子的汤姆孙散射截面,因而含尘埃的气体更容易被吸积盘辐射加速。

进一步的分析也印证了这一猜想:研究人员计算发现,在黑洞吸积盘辐射与尘埃的相互作用模型中,加速高速外流气体所需的尘埃含量与观测上的尘埃消光(光在经过尘埃后,被尘埃吸收变暗的现象)在一个标准差内完全一致。

这一发现表明,尘埃在吸积盘辐射与星际介质之间的耦合方面发挥着关键作用,使得高速外流对寄主星系(超大质量黑洞所在星系)中的恒星形成活动产生显著影响:如果星系中的介质含有尘埃,黑洞吸积盘的辐射更容易将能量转移到星系中的介质上,也就更容易将介质加速,直接吹出星系,这样可用于形成恒星的介质将会变少,星系的质量就不会继续增加。

值得一提的是,何志成等人建立的测量星系电离气体密度的全新方法,克服了传统方法受到气体速度弥散限制(即只能应用于窄吸收线)的缺点。何志成表示,在当今时域天文日新月异、重复观测数据大量积累的时代,研究团队将充分开掘这一新方法的潜力,将其发展成为测量电离气体密度的通用方法。

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