天文學家發現超大質量黑洞與宿主星系間驚人的聯繫

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原創：鄭娟娟

親愛的朋友，你可知道，在我們可見的宇宙中，大約有上萬億個星系。

在每一個大型星系中心，幾乎都有一個超大質量黑洞，它們的大小完全足以淹沒我們的想像力——它們擁有數百萬倍，甚至200億倍的太陽質量。

當然，在銀河系的中心，也有一個這樣的超大質量黑洞，它的質量是太陽的400萬倍，距離地球約27000光年。

離我們最近的大型星系——仙女星系，遠在254萬光年之外，她孕育著上萬億顆恆星，光線從她的一端飛向另一端，需要22萬年。銀河系和仙女星系就像一對雙胞胎，但仙女星系中心的超大質量黑洞卻比銀河系的更大，擁有1億倍的太陽質量。

圖片：仙女星系來自：nasa

星系中心的超大質量黑洞，或安靜，或狂暴。大部分都處在休眠期，比較安靜；也有一些非常活躍，它們正貪婪吞噬著宿主星系的物質，產生了明亮的吸積盤，還有壯麗的噴流。這些活躍的超大質量黑洞，就成為天文學家研究黑洞的寵兒。

一段時間以來，科學家們發現，星系中心的超大質量黑洞不可避免地與宿主星系間存在著密切的關係。例如，通過計算得出，超大質量黑洞的質量好像與宿主星系中心的質量具有恆定的關係；科學家們也認為，星系的演化和結構應該與它中央黑洞的規模密切相關。此外，還有研究發現，星系中心的超大質量黑洞越大，星系外部區域的恆星運行速度就越快。

最近，《天體物理學雜誌（the Astrophysical Journal）》發表了一篇新論文，介紹了有關超大質量黑洞與宿主星系間新的驚人的聯繫。

由英國劍橋大學領導的天文學家團隊使用了阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波陣列望遠鏡(ALMA)，研究了鳳凰星團中心的一個星系。

鳳凰星團（Phoenix Cluster）距離地球有57億光年之遠，它非常特別，因為它是由罕見的特別擁擠的星系組成——大約有1000個星系。在鳳凰星團的中心，有一個巨大的星系，以每年吐出500-800太陽質量的速度生產著恆星。

圖片：鳳凰星團來自：http://chandra.harvard.edu

在這樣的星系中心，停泊著一個非常活躍的超大質量黑洞，正在劇烈地吞噬著產星氣體，強烈的吸積活動產生了強勁的噴流，射入星際空間。天文學家將這種類型的黑洞動力系統稱為活動星系核（active galactic nucleus ，簡寫AGN）。

早前，錢德拉X射線天文台顯示，由鳳凰星團中心的AGN所產生的噴流，在太空中繪出了一對巨大的無線電泡（radio bubbles）。當時天文學家們認為，這些膨脹的無線電泡應該會產生那種極不利於周圍的熱氣體冷卻凝結的環境。

然而，最新的ALMA觀測顯示，在這些無線電泡的外緣，卻存在著長纖維的冷分子氣體（long filaments of cold molecular gas）。並且，這些冷分子氣體的長絲從該AGN的兩側分別延伸至82000光年遠處。它們的裡面都包含著充分的物質，足以形成100億個太陽！

圖片：在鳳凰星團中心星系的冷分子氣體的ALMA圖像。從中心延伸的冷分子氣體長絲擁抱著從一個超大質量的黑洞噴出巨大的無線電泡，來自：ALMA（ESO / NAOJ / NRAO）

觀測這個AGN的英國劍橋大學的天文學家，該篇論文的首席作者海倫·羅素（Helen Russell）說，「通過使用ALMA，我們可以看出，由超大質量黑洞產生的無線電泡，與星系生長的燃料（那些冷分子氣體）之間，有著直接的聯繫。」「這使得我們可以深刻理解，黑洞是怎樣影響著星系孕育未來的恆星，以及星系是怎樣獲得額外的原料，來餵養活躍黑洞的問題。」

「要產生強大的噴流，黑洞必須吞噬那些可以形成恆星的物質，」天體物理學家邁克爾·麥克唐納（Michael McDonald）說，「（黑洞吸積）這些物質所產生的噴流會破壞產星區域，進而淬滅恆星的形成，這可以說明黑洞是如何減緩它的宿主星系生長的。」

如果沒有重要的熱量源，那麼宇宙中最大的星系們就會以遠遠超過觀測的速率生產恆星。天文學家們相信，由一個活躍的、正在拚命吸積的超大質量黑洞所產生的熱量（以輻射和噴流的形式），可以防止星團中熱氣體的過度冷卻，從而抑制恆星的形成。

然而，現在對鳳凰星團的觀測卻講述了一個更加複雜的故事。天文學家們發現，在超大質量黑洞和它的宿主星系之間，多了一個額外的聯繫。由黑洞產生的射電噴流，一方面加熱著星系的中心區域，另一方面似乎又刺激著冷氣體的形成，而這些冷氣體同時又是維持這個AGN系統所必須的物質。

圖片：這是一個鳳凰星團中心AGN的計算機模擬圖，星系中心的超大質量黑洞產生的強大無線電噴流在星系周圍的電離氣體中產生巨大的無線電泡（藍色）。 ALMA檢測到冷分子氣體（紅色）擁抱氣泡的外部。這種冷分子氣體材料最終可能落入星系，它可以催化未來的恆星誕生，並飼養超大質量黑洞。

對於天文學家們來說，這樣的情況相當令人驚訝。這個超大質量黑洞正在通過「吹泡泡」和加熱周圍的氣體來調節星系的生長，引人注目的是，它還能夠冷卻足夠的氣體來養活自己。

這個新的發現同時也可以解釋，在過去的60億年的宇宙歷史中，那些最大規模的黑洞如何能夠抑制失控的星暴，同時又能調節宿主星系的生長。

論文鏈接：

http://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/836/1/130/meta;jsessionid=21F9988699BAE80F247F35F391CEDADF.c1.iopscience.cld.iop.org

新聞源：

https://www.sciencedaily.com/releases/2017/02/170214130520.htm

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