NGC 4945中的超大質(zhì)量黑洞是怎么形成的？

500萬年前，NGC 4945（位于半人馬座的一個螺旋星系）的中心黑洞爆發(fā)時，巨大的冷氣體云被爆炸穿透了螺旋星系。(主)插圖展示了一次黑洞爆發(fā)(頂部插圖)；XMM-Newton用X射線看到的NGC 4945(底部插圖)在可見光下的同一個星系

(圖片來源:NASA/JPL-Caltech/Weaver et al. 2024, ESA/XMM-Newton)

宇航局的科學家們觀察到一個驚人的宇宙化石，它是在500多萬年前一個超大質(zhì)量黑洞爆發(fā)時形成的。

宇航局戈達德太空飛行中心的團隊利用X射線多鏡任務(wù)（XMM-Newton）太空望遠鏡，在NASA的錢德勒X射線天文臺的協(xié)助下，發(fā)現(xiàn)了一種X射線，它勾勒出了相對接近的螺旋星系NGC 4945中的冷氣體云輪廓，該星系位于距我們1300萬光年之外的半人馬座。

當這些氣體從中心黑洞周圍爆炸時，似乎撕裂了整個星系。這個黑洞的質(zhì)量相當于大約160萬個太陽，目前以其周圍的物質(zhì)為食，為被稱為活動星系核(AGN)的明亮星系引擎提供動力。

這些由超大質(zhì)量黑洞排列的氣體是坍縮形成恒星的原料。因此，這些發(fā)現(xiàn)可以幫助科學家更好地理解超大質(zhì)量黑洞是如何影響周圍環(huán)境并引導(dǎo)星系演化的，這些超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量可以增長到太陽的數(shù)十億倍。

“科學界一直在爭論星系是如何演化的。我們在幾乎所有銀河系大小的星系的中心都發(fā)現(xiàn)了超大質(zhì)量黑洞，一個懸而未決的問題是，與恒星形成的影響相比，它們的影響有多大，”戈達德天體物理學家和團隊負責人金伯利·韋弗在一份聲明中說，“研究像NGC 4945這樣的近鄰星系，我們認為我們正在觀察一個過渡期，這有助于我們建立更好的模型，了解恒星和黑洞如何產(chǎn)生星系變化?！?/p>

一個孕育恒星的活躍星系

雖然大多數(shù)星系的中心都有一個超大質(zhì)量黑洞，但并非所有的這些宇宙巨獸都在吸積物質(zhì)，它們的引力影響也并不都會攪動周圍的物質(zhì)，從而產(chǎn)生AGN所需的劇烈條件。

像NGC 4945這樣擁有AGNs的星系被稱為“活躍星系”，它的亮度通常能超過整個星系中所有恒星的總和。但有時，這些活躍星系中心的甜甜圈形狀或“圓環(huán)”形狀的厚塵埃密度足夠大，至少可以遮擋住從AGN發(fā)出的部分光線，使其對外部觀察者不可見。

由南方天文臺2.2米望遠鏡拍攝到的NGC 4945星系，圖中可見粉色的新星形成區(qū)域，以及其中心被塵埃遮蔽的活動星系核（AGN）（圖片來源：ESO）

是否擁有一個由超大質(zhì)量黑洞驅(qū)動的活動星系核（AGN）并不是將NGC 4945與銀河系等其他更為穩(wěn)定的星系區(qū)分開的唯一因素。這個鄰近的螺旋星系還被歸類為“星暴星系”，這意味著它正在經(jīng)歷一次劇烈的恒星形成爆發(fā)。

據(jù)估計，NGC 4945每年形成類太陽恒星的數(shù)量為18顆，是銀河系恒星形成速度的三倍。這種恒星誕生主要集中在該星系的中心地帶，并將一直持續(xù)到恒星誕生的原材料—冷卻且密集的氣體云耗盡為止。這個過程預(yù)計需要1000萬到1億年。

在NGC 4945中發(fā)現(xiàn)了位置錯誤的宇宙化石

通過航天局(ESA)的XMM-Newton望遠鏡觀察NGC 4945，韋弗和其團隊發(fā)現(xiàn)了一個被稱為鐵K-alpha線的特征，當來自中心超大質(zhì)量黑洞盤周圍物質(zhì)的高能X射線擊中星系其他地方的冷氣體時，就會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

鐵線通常出現(xiàn)在具有AGN的星系中，但這次觀測讓團隊感到意外，因為它距離中心黑洞的距離并不像他們預(yù)期的那樣近，也不符合現(xiàn)有理論所預(yù)測的位置。

由于NGC 4945從地球的視角看是邊緣對齊的，這意味著宇航局的科學家能夠在銀河系平面上追蹤到32000光年外的鐵線，以及在傾斜星系上追蹤到16000光年外的鐵線。

錢德樂已經(jīng)在其他星系中繪制了鐵K-alpha線。在這個星系中，它幫助我們研究了云中單個明亮的X射線源，幫助我們排除了黑洞之外其他可能的來源，”戈達德大學的團隊成員、博士后研究員詹娜·卡恩說?！暗荖GC 4945的線從它的中心延伸得很遠，我們需要XMM-Newton的寬視野才能看到它的全部。”

（左圖）使用XMM-Newton觀測到的NGC 4945中可見的鐵K-alpha線。

（右圖）過濾掉包括來自活動星系核的X射線在內(nèi)的其他源后，鐵的信號仍然存在，顯示了冷氣體的位置（圖像來源：Weaver等人，2024年，ESA/XMM-Newton）。

研究團隊認為，造成這一特殊現(xiàn)象的原因是500萬年前從NGC 4945的超大質(zhì)量黑洞中爆發(fā)的粒子噴流。他們認為這股噴流可能是定向的，所以它在銀河系中爆炸，而不是從星系平面逃逸。

這次噴流引發(fā)了一股超強的風，正如我們今天看到的那樣，它仍然在NGC 4945中吹拂，它也可能引發(fā)了該星系的強烈星爆期。

研究團隊現(xiàn)在將繼續(xù)觀察NGC 4945，并尋找其他線索，展示中心黑洞如何影響星系的演化。他們還將研究來自中心區(qū)域的X射線是否能夠驅(qū)散冷氣體，最終結(jié)束劇烈的恒星形成，并結(jié)束NGC 4945的星暴階段。

“有大量的證據(jù)表明，黑洞在某些星系的恒星形成歷史和它們的最終命運方面扮演著重要角色，”團隊成員、戈達德天體物理學家埃德蒙·霍奇斯-克拉克說。“我們研究了許多像NGC 4945這樣的星系，因為盡管從一個個黑洞來看物理過程幾乎相同，但它們對各自星系的影響卻大相徑庭。

“XMM-Newton幫助我們發(fā)現(xiàn)了一個我們原本不知道要尋找的星系化石——但這很可能只是眾多化石中的第一個?！被羝嫠?克拉克繼續(xù)說道。

韋弗在路易斯安那州新奧爾良舉行的天文學會第243屆會議上展示了團隊的發(fā)現(xiàn)，時間是1月11日星期三。

BY:Robert Lea

FY:徐怡璇

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