科学家发现超大质量黑洞爆发产生的宇宙化石

第三只手烈

（主图）插图显示了黑洞爆发时（上插图）XMM-Newton在X射线中看到的NGC 4945（下插图）可见光中的同一星系（图片来源:美国国家航空航天局/JPL-加州理工学院/韦弗等人2024年，欧空局/XMM-Newton）

（）据美国太空网（罗伯特·李）：美国国家航空航天局科学家观察到一块令人惊叹的宇宙化石，它是500多万年前一个超大质量黑洞爆发时产生的。

航天局戈达德太空飞行中心的研究小组在美国国家航空航天局钱德拉X射线天文台的帮助下，使用X射线多镜任务（XMM-Newton）太空望远镜发现了X射线，这些X射线勾勒出了距离半人马座1300万光年的相对较近的螺旋星系NGC 4945中的冷气体云。

当气体从中心黑洞周围爆发时，似乎已经撕裂了银河系。中心黑洞的质量相当于大约160万个太阳，目前以周围的物质为食，为称为活动星系核（AGN）的明亮星系引擎提供动力。

这种超大质量黑洞形成的气体是坍缩产生恒星的原材料。因此，这些发现可以帮助科学家更好地理解超大质量黑洞是如何影响其周围环境并引导星系演化的。超大质量黑洞的质量可以增长到太阳的数十亿倍。

“科学界正在就星系如何演化进行辩论。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，”戈达德天体物理学家兼团队负责人金伯利·韦弗在一份声明中说。研究NGC 4945这样的邻近星系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。我们认为NGC 4945正处于过渡期。"

一个活跃的恒星诞生星系

虽然大多数星系的中心都有一个超大质量黑洞，但并非所有这些宇宙巨人都在吸积物质，它们的引力影响也没有搅动周围的物质，从而产生AGN所需的剧烈条件。

像NGC 4945这样拥有活动星系核的星系被称为“活动星系”，活动星系核通常比整个星系中的所有恒星加起来都要亮。但有时这些活跃星系中心呈环形或“圆环”状的厚尘埃密度足够大，至少遮住了外部观测者从AGN发出的部分光线。

然而，光并不是活动星系中心活动星系核的唯一发射物；没有被送入黑洞进行处理或“吸积”的物质可以通过磁场被引导到黑洞的两极。从这里开始，这些粒子被加速到接近光速的速度，并喷射出可以延伸数千光年的射流。此外，粒子可以通过强大的气体和尘埃风逃离活动星系中的活动星系核。



欧洲南方天文台的2.2米望远镜看到的星系NGC 4945，粉红色的恒星形成区域清晰可见，其中心AGN被尘埃遮住（图片来源:欧洲南方天文台）

拥有一个超大质量黑洞驱动的AGN并不是NGC 4945区别于银河系等其他更安静星系的唯一原因。这个附近的螺旋星系也被归类为“恒星暴增星系”，这表明它正在经历恒星形成的强烈爆发。

据估计，NGC 4945正在以每年18颗类太阳恒星的速度形成恒星体，比银河系的恒星形成速度快3倍。这种恒星诞生主要集中在银河系的中心，只有当恒星诞生的原材料，凉爽而稠密的气体云耗尽时才会结束。这一过程预计需要1000万至1亿年。

在NGC 4945中发现一块错位的宇宙化石

用欧洲航天局（ESA）的XMM-Newton望远镜观察NGC 4945时，韦弗和他的团队发现了一种称为铁K-α线的特征，这种特征发生在中心超大质量黑洞周围物质发出的高能X射线击中银河系其他地方的冷气体时。

铁线通常出现在有AGN的星系中，但这次观察让研究小组大吃一惊，因为它并不像他们预期的那样靠近中心黑洞，也不像现有理论认为的那样应该靠近。

NGC 4945是从地球的有利位置上从侧面看到的，这意味着美国国家航空航天局的科学家能够在银道面上追踪这条铁线32，000光年，在倾斜的银河系中追踪16，000年。

“钱德拉绘制了其他星系中的铁K-α。在这次研究中，它帮助我们研究了云中的单个明亮X射线源，以帮助我们排除黑洞之外的其他潜在来源，”团队成员、戈达德詹娜·坎恩的博士后研究员说。“但是NGC 4945的谱线离它的中心太远了，我们需要XMM-Newton的大视野才能看到它的全部。"



（左）与XMM-Newton一起在NGC 4945中看到的Kα线。（右）其他来源被过滤掉，包括来自AGN的X射线，来自铁的信号仍然存在，显示了冷气体的位置（图片来源:Weaver等人2024年，欧空局/XMM-Newton）

研究小组推测，造成这一非凡特征的原因是500万年前NGC 4945超大质量黑洞爆发的粒子射流。他们认为这个喷射流可能是定向的，所以它穿过银河系而不是从银河平面逃逸。

这次爆发导致了一场超强的风，这场风仍然在我们今天看到的NGC 4945中吹拂，它也可能引发了银河系的强烈恒星爆发期。

该团队现在将继续观察NGC 4945，并寻找其他显示中央黑洞如何影响银河系演化的线索。他们还将调查来自中心区域的X射线是否能够驱散冷气体，最终接近密集的恒星形成并熄灭NGC 4945的恒星爆发阶段。

研究小组成员、戈达德天体物理学家埃德蒙·霍奇斯-克拉克说:“有大量证据表明，黑洞在一些星系中扮演着重要角色，决定着它们的恒星形成历史和命运。”“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，但它们对各自星系的影响却大不相同。”

“XMM-Newton帮助我们发现了一个我们不知道要寻找的银河系化石——但这可能只是许多化石中的第一个。”霍奇斯-克卢克继续说道。

1月11日星期三，韦弗在路易斯安那州新奥尔良举行的第243届美国天文学会会议上介绍了该团队的发现。