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  • 小小星際塵埃 或為黑洞“吹出”的高速外流“加油”

    2022-02-18 17:58:59

    2月12日,國際知名學術期刊《科學進展》在線發表了中國科學技術大學物理學院天文學系王挺貴教授與劉桂琳教授團隊特任副研究員何志成的一項最新研究發現,何志成創建了一套全新的測量星系電離氣體物理性質的方法,并首次發現活動星系(具有激烈活動的星系)中心高速外流在百光年尺度上存在加速現象,該尺度超出經典的黑洞—吸積盤風尺度兩個數量級以上。

    高速外流影響星系演化

    目前的星系形成與演化理論認為,一般而言,星系中心都活躍著一個超大質量黑洞,這種巨型黑洞的質量可超過10億倍太陽質量,而它所釋放的巨大能量會有效調節星系演化,阻止星系生長得過于龐大,這種機制被稱為“活動星系核反饋機制”。

    活躍的超大質量黑洞作為活動星系中心的“引擎”,吸積黑洞周圍物質時,會形成旋轉的吸積盤,將大量的氣體電離并“吹向”星際空間,形成高速外流。這種高速外流的速度可以達到光速的十分之一,由此產生的強烈電磁輻射強度可超過其所在星系恒星光度(即電磁輻射的強度)總和的千倍,對其所在星系的整體演化產生重要影響。而這種外流將物質和能量從星系核區“搬運”至星系的外圍,是活動星系核反饋機制的主要形式之一。然而,迄今為止人們對活動星系高速外流的物理屬性、起源、加速機制及其對星系演化的具體影響等仍然知之甚少。

    高速外流的尺度是理解其起源及衡量其對星系環境影響的核心參數之一。這是因為高速外流的尺度和星系的尺度一樣大,才能和整個星系中的物質發生相互作用,進而影響整個星系的演化。

    但科學家想要研究星系的高速外流,卻并不容易。由于宇宙中的星系距離地球都比較遙遠,從地球來看,這些星系的高速外流尺度很小,在圖像上僅僅是一個“點”,無法直接推斷出其具體的大小。

    此前,學界普遍采用對密度較為敏感的離子激發態吸收線來推算高速外流尺度,但這種方法技術復雜,對高速外流的氣體密度測量不夠精確,導致對高速外流尺度的測量結果受到影響。因此,近30年來,人們利用這種方法僅推算出了數十個活動星系的高速外流尺度,并且在尺度的數量級上仍然存在爭議。

    百光年尺度上的加速現象

    高速外流的起源、尺度以及能量等關系到超大質量黑洞的吸積過程以及星系的演化??茖W家認為,高速外流很可能抑制了星系中的恒星形成。為了獲得這一問題的確切的答案,何志成不停地進行著嘗試和探索。為了突破困境,他另起爐灶,從吸收線光變(即吸收線深度或速度產生的變化)的新視角提出測量高速外流物理參數的新手段,并利用斯隆大樣本巡天數據,發現大部分高速外流尺度在數十光年以上,并且其能量足以影響所在星系的整體演化。2019年,他的這項研究成果發表在《自然·天文學》雜志上。

    此后,何志成又歷經了數年努力,開發出一種同時利用響應函數幅度和相位信息的新方法,成功地獲得了類星體(距離地球最遠、光度最大的一類活動星系)高速外流的運動學信息。利用這種新方法,何志成首次發現活動星系中心高速外流在百光年尺度上的加速現象,而且超出經典黑洞—吸積盤風尺度100倍以上。

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    接下來的問題是,這些高速外流起源何方?它們的加速機制又是什么?何志成等人猜想,星際塵埃極有可能在高速外流加速過程中扮演著重要角色,因為塵埃與黑洞吸積盤紫外輻射的作用截面遠遠大于自由電子的湯姆孫散射截面,因而含塵埃的氣體更容易被吸積盤輻射加速。

    進一步的分析也印證了這一猜想:研究人員計算發現,在黑洞吸積盤輻射與塵埃的相互作用模型中,加速高速外流氣體所需的塵埃含量與觀測上的塵埃消光(光在經過塵埃后,被塵埃吸收變暗的現象)在一個標準差內完全一致。

    這一發現表明,塵埃在吸積盤輻射與星際介質之間的耦合方面發揮著關鍵作用,使得高速外流對寄主星系(超大質量黑洞所在星系)中的恒星形成活動產生顯著影響:如果星系中的介質含有塵埃,黑洞吸積盤的輻射更容易將能量轉移到星系中的介質上,也就更容易將介質加速,直接吹出星系,這樣可用于形成恒星的介質將會變少,星系的質量就不會繼續增加。

    值得一提的是,何志成等人建立的測量星系電離氣體密度的全新方法,克服了傳統方法受到氣體速度彌散限制(即只能應用于窄吸收線)的缺點。何志成表示,在當今時域天文日新月異、重復觀測數據大量積累的時代,研究團隊將充分開掘這一新方法的潛力,將其發展成為測量電離氣體密度的通用方法。

    (文章來源:科技日報)

    標簽: 學術期刊

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