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科学家首次发现超大质量黑洞喷流中恒星形成证据,恒星在超大黑洞吹出的星系风中诞生

永利网站网址 1星系中心超大质量黑洞的活动输出大量能量,驱使周边物质形成强劲外流吹向星系以外。就在环境如此极端的星系风之中,天文学家找到了恒星形成的确凿证据。图片来源:ESO/M.
Kornmesser

大多数星系中央都存在一个超大质量黑洞,那里密度极高,质量能达到太阳的数十亿倍。近日,科学家发现,恒星可以在超大质量黑洞的猛烈“狂风”中形成。研究者称,这一发现将帮助我们理解星系演化的过程。

绝大多数星系的中心,都隐藏着超大质量黑洞。这些黑洞不只是会吞噬天地,有时还会喷射出强劲的物质外流。欧洲南方天文台甚大望远镜(Very
Large
Telescope)所作的观测,揭露出这种物质外流里有新的恒星在形成。这是天文学家第一次证据确凿地观测到如此极端环境中的恒星诞生过程。这一发现对于理解星系的性质及其演化有着诸多影响。这些结果3月27日在线发表在《自然》杂志网站上。

永利网站网址,科学家利用欧洲南方天文台(ESO)的甚大望远镜(Very Large
Telescope,VLT)进行观测,揭示了恒星在超大质量黑洞的强烈喷流之中形成的过程。超大质量黑洞时常会抛射出大量物质,而这些物质组成了星系的核心。

由英国牵头的一个欧洲天文学家团队,利用位于智利帕瑞纳天文台甚大望远镜上的MUSE和X-shooter设备,研究了距离地球大约6亿光年外两个正在碰撞的星系,它们被统称为IRAS
F23128-5919。研究团队观测了其中的巨大物质外流,这些外流源自于两个星系中位置偏南的那个星系中心的超大质量黑洞附近。他们从中发现了首个确凿证据,表明恒星正在其中诞生。

甚大望远镜的观测首次确认了恒星可以在这种极端的环境中形成。利用甚大望远镜上的多目标光谱探测仪(MUSE)和X-shooter仪器,来自欧洲的天文学家团队研究了两个星系——合在一起被称为IRAS
F23128-5919——正在进行中的碰撞情况。这两个星系距离地球约6亿光年。

这种星系级别的物质外流,是由活跃且喧嚣的星系核心输出的巨大能量驱动的。超大质量黑洞潜藏在绝大多数星系的中心,当它们大规模吞噬物质的时候,会加热周边的气体,将气体驱散到主星系以外,形成强劲的星系风。

研究团队在这两个星系中位于南部的星系中心处,发现了源自超大质量黑洞的巨大物质喷流。他们首次获得了恒星正在这些喷流中形成的清晰证据。如此大规模的喷流是由活跃、动荡的星系中心输出的巨大能量驱动的。

“一段时间以来,天文学家都认为,这些物质外流中的环境可能刚好适合恒星形成,但没有人真的看到这样的现象发生,因为这很难观测。”研究团队负责人、英国剑桥大学的罗伯托·马约利诺(Roberto
Maiolino)评论说,“我们的结果令人兴奋,因为它们确凿无疑地证明了恒星正在这些物质外流内部形成。”

科学家发现,恒星可以在超大质量黑洞的猛烈“狂风”中形成。图中是这一场景的艺术想象图。

研究团队原本打算直接研究物质外流中的恒星,以及包围在这些恒星周边的气体。利用甚大望远镜上的MUSE和X-shooter这两件世界顶尖的光谱设备,他们能够极其详细地研究从那里辐射出来的光,从而确定光的源头是什么。

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他们发现,这些光的源头是年轻的恒星,因为年轻恒星会导致周边的气体以特定的方式发光。X-shooter设备的超高灵敏度,让研究团队排除了这些光由其他源头(比如气体激波或者活动星系核)发出的可能性。

以往的研究表明,超大质量黑洞会吞噬太过靠近其中心的宇宙物质。在吞噬物质时,超大质量黑洞还会加热周围的气体,以猛烈、密集的“狂风”形式抛射出来。

接下来,研究团队又无可置疑地直接观测到了物质外流中的一群恒星婴儿。这些恒星的年龄据信仅有几千万年,而且初步分析表明,与不那么极端的环境中(比如星系盘中)形成的恒星相比,这些恒星温度更高,亮度也更亮。

“天文学家曾经认为,这些喷流中的物质或许适合恒星形成,但没有人真的观测到它真的发生,因为这是非常困难的观测,”剑桥大学的罗伯托·麦欧利诺(Roberto
Maiolino)教授说,“我们的结果令人振奋,因为这明确显示了恒星正在这些喷流的内部形成。”

星系中心超大质量黑洞的活动输出大量能量,驱使周边物质形成强劲外流吹向星系以外,而新的恒星就在这种物质外流中诞生形成。视频来源:ESO/M.
Kornmesser

研究团队一开始是直接研究喷流内部的恒星,以及这些恒星周围的气体。利用多目标光谱探测仪和X-shooter仪器,他们可以对发射出来的光线进行非常细致的分析,进而确定这些光线的来源。

作为进一步的证据,天文学家还测定了这些恒星的运动方向和速度。来自这一区域绝大多数恒星的星光表明,这些恒星正以极快的速度远离星系的中心——如果这些天体是在快速移动的物质流中形成的,这一点就说得通了。

以往研究发现,年轻恒星的辐射会导致气体云以特殊的方式发光。X-shooter仪器具有极高的灵敏度,可以使研究团队排除导致这种光亮的其他可能原因,包括星系活跃核心处的气体震荡。

研究合作者、英国剑桥天文研究所的海伦·拉塞尔(Helen
Russell)解释说,“星系风中形成的恒星,如果形成于靠近星系中心的位置,可能会减慢速度甚至掉落回去,而形成于星系风更外侧的恒星就不会减速太多,甚至能够跟星系风一起飞出星系以外。”

据估计,该星系中心的超大质量黑洞的质量至少是太阳的1亿倍。

这一发现提供了令人兴奋的新信息,能够帮助我们更好地理解某些天体物理过程,包括一些星系为什么会有特定的形状,星系际空间又如何被重元素沾染,甚至可能解释宇宙红外背景辐射的来源。

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马约利诺也对未来相当兴奋,“如果大多数星系物质外流中真的发生着恒星形成过程,就像一些理论预言的那样,那么这一发现就给我们理解星系的演化提供了一幅完整的新图景。”(编辑:Steed)

接着,研究人员在超大质量黑洞的喷流中发现了多个幼年恒星。据估计,这些恒星的年龄在几千万年以下。初步的分析显示,它们比其他在不那么极端的环境中形成的恒星温度更高,而且更加明亮。

参考文献

  1. Nature (2017) |
    doi:10.1038/nature21677

天文学家还确定了这些恒星的运动方向和速度。该区域大部分恒星的光线显示,它们正在以极高的速度远离星系中心。剑桥大学天文学研究所的海伦·拉塞尔(Helen
Russell)博士说:“形成于星系中心附近喷流中的恒星,其速度可能会减慢,甚至开始往回走,但对于那些形成于远离喷流区域的恒星,它们的减速较少,甚至可能整个从星系脱离出去。”

研究人员表示,此次发现将为解开一些天体物理学谜题提供新的信息。该发现或许还能帮助天文学家确定一些特定的星系如何保持形状,以及星系间的太空为何富含重元素。该发现甚至还可能解释神秘的宇宙红外背景辐射为什么上升。

快速旋转的超大质量黑洞(艺术想象图),周围是由于黑洞潮汐力而被分解的恒星残余物质。

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麦欧利诺教授对未来的研究充满期待,他说:“如果恒星的形成正如一些理论预测的,真的在大多数星系的喷流之中发生,那这就将为我们理解星系演化提供全新的情境。”他们的研究结果发表在近期的《自然》(Nature)杂志上。

超大质量黑洞是星系内重要的引力源,能使尘埃和气体悬浮在黑洞周围。科学家认为,星系中的恒星正是在这种强大引力的作用下围绕超大质量黑洞运行。

不过,超大质量黑洞的形成依然是一个谜。天文学家认为,它们可能形成于一团巨大的气体云,其质量可达太阳的10万倍以上,塌缩之后形成了黑洞。这些黑洞“种子”中有许多不断融合,形成了更大的超大质量黑洞。还有一种可能是,超大质量黑洞来源于一颗巨大的恒星——质量大约是太阳的100倍。在这颗恒星燃料用尽并塌缩之后,最终形成了超大质量黑洞。(任天)

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