2月12日，國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)進(jìn)展》在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院天文學(xué)系王挺貴教授與劉桂琳教授團(tuán)隊(duì)特任副研究員何志成的一項(xiàng)最新研究發(fā)現(xiàn)，何志成創(chuàng)建了一套全新的測(cè)量星系電離氣體物理性質(zhì)的方法，并首次發(fā)現(xiàn)活動(dòng)星系(具有激烈活動(dòng)的星系)中心高速外流在百光年尺度上存在加速現(xiàn)象，該尺度超出經(jīng)典的黑洞—吸積盤(pán)風(fēng)尺度兩個(gè)數(shù)量級(jí)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(rèn)為，一般而言，星系中心都活躍著一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，這種巨型黑洞的質(zhì)量可超過(guò)10億倍太陽(yáng)質(zhì)量，而它所釋放的巨大能量會(huì)有效調(diào)節(jié)星系演化，阻止星系生長(zhǎng)得過(guò)于龐大，這種機(jī)制被稱(chēng)為“活動(dòng)星系核反饋機(jī)制”。

活躍的超大質(zhì)量黑洞作為活動(dòng)星系中心的“引擎”，吸積黑洞周?chē)镔|(zhì)時(shí)，會(huì)形成旋轉(zhuǎn)的吸積盤(pán)，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(dá)到光速的十分之一，由此產(chǎn)生的強(qiáng)烈電磁輻射強(qiáng)度可超過(guò)其所在星系恒星光度(即電磁輻射的強(qiáng)度)總和的千倍，對(duì)其所在星系的整體演化產(chǎn)生重要影響。而這種外流將物質(zhì)和能量從星系核區(qū)“搬運(yùn)”至星系的外圍，是活動(dòng)星系核反饋機(jī)制的主要形式之一。然而，迄今為止人們對(duì)活動(dòng)星系高速外流的物理屬性、起源、加速機(jī)制及其對(duì)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(duì)星系環(huán)境影響的核心參數(shù)之一。這是因?yàn)楦咚偻饬鞯某叨群托窍档某叨纫粯哟螅拍芎驼麄€(gè)星系中的物質(zhì)發(fā)生相互作用，進(jìn)而影響整個(gè)星系的演化。

但科學(xué)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(yuǎn)，從地球來(lái)看，這些星系的高速外流尺度很小，在圖像上僅僅是一個(gè)“點(diǎn)”，無(wú)法直接推斷出其具體的大小。

此前，學(xué)界普遍采用對(duì)密度較為敏感的離子激發(fā)態(tài)吸收線來(lái)推算高速外流尺度，但這種方法技術(shù)復(fù)雜，對(duì)高速外流的氣體密度測(cè)量不夠精確，導(dǎo)致對(duì)高速外流尺度的測(cè)量結(jié)果受到影響。因此，近30年來(lái)，人們利用這種方法僅推算出了數(shù)十個(gè)活動(dòng)星系的高速外流尺度，并且在尺度的數(shù)量級(jí)上仍然存在爭(zhēng)議。

百光年尺度上的加速現(xiàn)象

高速外流的起源、尺度以及能量等關(guān)系到超大質(zhì)量黑洞的吸積過(guò)程以及星系的演化。科學(xué)家認(rèn)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(wèn)題的確切的答案，何志成不停地進(jìn)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(chǎn)生的變化)的新視角提出測(cè)量高速外流物理參數(shù)的新手段，并利用斯隆大樣本巡天數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)大部分高速外流尺度在數(shù)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(xiàng)研究成果發(fā)表在《自然·天文學(xué)》雜志上。

此后，何志成又歷經(jīng)了數(shù)年努力，開(kāi)發(fā)出一種同時(shí)利用響應(yīng)函數(shù)幅度和相位信息的新方法，成功地獲得了類(lèi)星體(距離地球最遠(yuǎn)、光度最大的一類(lèi)活動(dòng)星系)高速外流的運(yùn)動(dòng)學(xué)信息。利用這種新方法，何志成首次發(fā)現(xiàn)活動(dòng)星系中心高速外流在百光年尺度上的加速現(xiàn)象，而且超出經(jīng)典黑洞—吸積盤(pán)風(fēng)尺度100倍以上。

星際塵埃或是提速“引擎”

接下來(lái)的問(wèn)題是，這些高速外流起源何方?它們的加速機(jī)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(guò)程中扮演著重要角色，因?yàn)閴m埃與黑洞吸積盤(pán)紫外輻射的作用截面遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(pán)輻射加速。

進(jìn)一步的分析也印證了這一猜想：研究人員計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在黑洞吸積盤(pán)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(cè)上的塵埃消光(光在經(jīng)過(guò)塵埃后，被塵埃吸收變暗的現(xiàn)象)在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差內(nèi)完全一致。

這一發(fā)現(xiàn)表明，塵埃在吸積盤(pán)輻射與星際介質(zhì)之間的耦合方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，使得高速外流對(duì)寄主星系(超大質(zhì)量黑洞所在星系)中的恒星形成活動(dòng)產(chǎn)生顯著影響：如果星系中的介質(zhì)含有塵埃，黑洞吸積盤(pán)的輻射更容易將能量轉(zhuǎn)移到星系中的介質(zhì)上，也就更容易將介質(zhì)加速，直接吹出星系，這樣可用于形成恒星的介質(zhì)將會(huì)變少，星系的質(zhì)量就不會(huì)繼續(xù)增加。

值得一提的是，何志成等人建立的測(cè)量星系電離氣體密度的全新方法，克服了傳統(tǒng)方法受到氣體速度彌散限制(即只能應(yīng)用于窄吸收線)的缺點(diǎn)。何志成表示，在當(dāng)今時(shí)域天文日新月異、重復(fù)觀測(cè)數(shù)據(jù)大量積累的時(shí)代，研究團(tuán)隊(duì)將充分開(kāi)掘這一新方法的潛力，將其發(fā)展成為測(cè)量電離氣體密度的通用方法。(科技日?qǐng)?bào)記者 吳長(zhǎng)鋒)

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關(guān)鍵詞： 高速外流 星系演化 星際塵埃 超大質(zhì)量黑洞