美国国家航空航天局科学家发现一种新的星系“化石”

哈耶萨鲁亚源

（）据美国宇航局（珍妮特·卡兹米尔恰克）：马里兰州格林贝尔特的美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的研究人员发现了X射线活动，这揭示了星系的演化。

X射线勾勒出附近螺旋星系NGC 4945中巨大的冷气体云。大约500万年前，中央超大质量黑洞爆发后，这种气体似乎穿过了银河系。

领导这项工作的戈达德天体物理学家金伯利·韦弗说:“科学界一直在争论星系是如何演化的。”。“我们在几乎所有银河系大小的星系中心都发现了超大质量黑洞，一个悬而未决的问题是，与恒星形成的影响相比，它们的影响有多大。研究附近的星系，如NGC 4945，我们认为我们正处于过渡期，这有助于我们建立更好的恒星和黑洞如何产生星系变化的模型。”

1月11日，韦弗代表她的团队在新奥尔良举行的第243届美国天文学会会议上公布了这些结果。《天体物理学杂志》正在评论一篇关于这一发现的论文。这项工作之所以成为可能，要归功于欧空局(欧洲航天局)的XMM-Newton卫星(X射线多镜任务)在美国国家航空航天局钱德拉X射线天文台的帮助下收集的数据。



在这张由欧洲南方天文台位于智利的2.2米望远镜拍摄的可见光图像中，活跃恒星形成的地点呈现出明亮的粉红色。银河系的活动核心大部分被尘埃云所掩盖。图像：ESO

NGC 4945是一个活跃的星系，位于南半人马座，距离我们大约1300万光年。

一个活跃的星系有一个异常明亮和可变的中心，由超大质量黑洞提供动力，通过重力和摩擦力加热周围的气体和尘埃盘。黑洞慢慢地消耗它周围的物质，这在光盘发出的光中产生了随机波动。和大多数活跃的星系一样，NGC 4945的黑洞和圆盘被一种名为环面的致密尘埃云所覆盖，阻挡了部分光线。

活跃星系的核心也可以驱动高速粒子射流，并产生含有气体和尘埃的强风。

NGC 4945也是一个恒星暴增星系，这意味着它形成恒星的速度比我们的高得多。科学家估计它每年产生的质量相当于18颗像我们太阳一样的恒星，或者是银河系的近三倍。几乎所有的恒星形成都集中在星系中心。一次恒星暴增事件会持续1000万到1亿年，只有在制造新恒星的原材料耗尽时才会结束。



这个动画在螺旋星系NGC 4945的两个视图之间切换。第一张是由XMM-Newton的蓝色光学监视器拍摄的可见光图像。重叠的是由望远镜的EPIC仪器观测到的铁K-α线的等高线图。第二个视图显示轮廓的填充视图，其中较亮的颜色表示X射线的浓度较高。图像：Weaver等人2024，欧空局/XMM-Newton

美国国家航空航天局的XMM-Newton项目科学家韦弗和她的团队用卫星观察了NGC 4945。在他们的数据中，他们看到了科学家所说的铁K-α线。当来自黑洞圆盘的高能X射线遇到其他地方的冷气体时，就会出现这种特征。(这种气体的温度大约是零下400华氏度或零下200摄氏度。)铁线在活跃的星系中很常见，但在这些观测之前，科学家们以前认为它发生在更接近黑洞的尺度上。

“钱德拉绘制了其他星系的铁K-α。在这一次，它帮助我们研究云中的单个明亮X射线源，帮助我们排除除了黑洞以外的其他潜在来源，”合著者兼戈达德博士后研究员詹娜·坎说。“但是NGC 4945的谱线从它的中心延伸得如此之远，以至于我们需要XMM-Newton的宽视野才能看到它的全部。"



观看科学家如何在这个动画中过滤出被称为铁K-α线的X射线信号的可能来源。第一张图片显示了XMM-Newton星系NGC 4945中观测到的铁线条轮廓。在第二张图片中，研究小组使用来自钱德拉的数据过滤掉像双星这样的源。在最终的图像中，他们移除了星系活动核中的X射线。铁线仍然突出了星系中大量的冷气体。图像：Weaver等人2024，欧空局/XMM-Newton

因为从我们的角度来看，NGC 4945几乎是倾斜的，XMM-Newton能够绘制出它沿着星系平面和在星系平面上方的铁线的范围，分别追踪到32，000光年和16，000光年——比以前观察到的铁线远一个数量级。

科学小组认为这条线突出的冷气体是大约500万年前星系中央黑洞爆发的粒子喷流的遗迹。喷流很可能是以一定角度进入星系，而不是指向太空，驱动着一股超能力的风，这股风仍在推动冷气体穿过星系。它甚至可能引发了当前的星爆事件。

韦弗和她的同事将继续观察NGC 4945，看看他们是否能发现黑洞影响星系演化的其他方式。目前突出显示冷气体的来自圆盘的X射线也可能开始驱散它。由于恒星需要这种气体才能形成，科学家们也许能够测量星系黑洞周围的活动如何抑制其恒星暴增阶段。

“有大量证据表明，黑洞在一些星系中发挥着重要作用，决定了它们的恒星形成历史和命运，”合著者埃德蒙·霍奇斯-克卢克说，他是戈达德的天体物理学家。“我们研究了许多星系，比如NGC 4945，因为尽管黑洞之间的物理性质几乎相同，但它们对星系的影响却大相径庭。XMM-Newton帮助我们发现了一个我们不知道要寻找的星系化石——但这可能只是许多化石中的第一个。”

欧空局的XMM-Newton天文台于1999年12月在法属圭亚那的库鲁发射升空。美国国家航空航天局资助了XMM-Newton仪器包的元件，并在戈达德提供了美国国家航空航天局客座观测设施，支持美国天文学家使用该天文台。