黑洞以吞噬者著称。但它们也能帮助孕育恒星。

天体物理学家首次在矮星系中观测到黑洞帮助创造新恒星。
The Henize 2-10 starburst galaxy
来自哈勃太空望远镜的光学数据、美国宇航局钱德拉 X 射线天文台的 X 射线数据以及美国国家射电天文台甚大阵列的射电数据相结合,揭示了 Henize 2-10 爆炸星系的耀眼光辉。X 射线 (NASA/CXC/Virginia/A.Reines et al);射电 (NRAO/AUI/NSF);光学 (NASA/STScI)

2000 年代末,艾米·雷恩斯 (Amy Reines) 第一次看到 Henize 2-10 矮星系爆炸星系的快照时,她被它与其他同类星系截然不同的外观所震撼。一条长达 500 光年的气体长丝横跨漆黑的宇宙空间,连接着两个尘埃瓣,新的恒星正在那里汇聚并诞生。她看到的是一个多产的恒星育儿所,因此有了“爆炸星系”这个术语。 

经过多年对这个独特星系系统的断断续续的研究,现在的蒙大拿州立大学天体物理学家雷恩斯和她的学生、天体物理学家扎克·舒特 (Zach Schutte) 揭示了 Henize 为什么看起来是这样的:Henize 的核心是一个巨大的黑洞,它在间接孕育恒星。相关研究成果于周三发表在《自然》杂志上。 

哈佛-史密森尼天体物理中心的天体物理学家法比奥·帕库奇 (Fabio Pacucci) 表示,这是研究人员首次在如此小的星系中发现黑洞触发恒星形成的明确迹象。他补充说,黑洞是抑制还是触发恒星形成,“一直是一个‘非常开放的问题’”。 

由于其巨大的质量,黑洞会捕获靠近的尘埃和被撕碎的恒星残骸。当这些天体巨兽吞噬它们的“猎物”时,它们也可能将一部分恒星“饲料”弹出。“它们(消耗)周围的物质,但在这个过程中它们有点‘挑食’,”雷恩斯说。 

人类的望远镜更容易探测到最大、最“坏”的黑洞,因为这些黑洞也是最明亮的,它们被落入的、在螺旋式下落过程中加热的气体和尘埃所勾勒。引力巨兽喷射出的物质流也足够强大,可以散射物质并稀薄化周围可能凝结成恒星的星云。这些更明亮的黑洞会抑制恒星的形成——而且它们通常是科学家们可以观测到的黑洞类型。 

再来看矮星系,这是一类小型恒星聚集体,其中包含——如果有的话——与之匹配的、更小的黑洞。矮星系中的黑洞更暗淡,因此科学家更难探测到它们。而且这些温和的黑洞喷出的风没有那么猛烈,所以它们不会吹走星际碎屑,而是将其压缩,就像暴风雪堆积雪堆一样。这些密集的物质团块是恒星形成的沃土。 

“我们看到的是一种更温和、速度更慢的流出,”雷恩斯说,她指的是黑洞喷出的相对轻柔的物质流。“它有点像在帮助推动恒星形成。”

[相关:观看黑洞吞噬模拟恒星。]

如果有一个矮星系准备向地球人揭示其黑洞的秘密,Henize 2-10 就是那个。Henize 是科学家们研究的幸运目标,因为它离我们很近,只有大约 3000 万光年。雷恩斯说,这“就在我们家门口”。这使得它成为科学家们能够接触到的矮星系目标。利用哈勃太空望远镜的数据,雷恩斯和舒特分析了来自 Henize 的光,重点关注预示着早期恒星成分(氢、氧和硫)存在的波长。Henize 的黑洞不仅在喷射这些元素,而且其喷流还在与黑洞的自转同步脉动。 

这一结果证实了新的恒星正在直接从吞噬的黑洞的剩余物质中形成。“我们基本上看到了多普勒频移中一种小的、连贯的、摇摆的模式,”舒特说。“存在一个源自黑洞并延伸到恒星形成区域的连贯流出。” 

The Henize 2-10 galaxy viewed at a specific wavelength
在特定波长下观察到的 Henize 2-10 更清楚地揭示了其由黑洞物质流形成的丝状结构。图像中央的白色椭圆标记着黑洞的位置。NASA/STScI。

剑桥大学的天体物理学家罗伯托·马约利诺 (Roberto Maiolino) 表示,这项研究“实际上可能会推动对 Henize 以外其他类似星系的后续观测”。他补充说,矮星系是数量最多的恒星系统类型,因此黑洞产生的恒星形成可能相对普遍。 

此外,矮星系不仅是大型恒星集合的基石,它们也被认为能反映宇宙最早期的星团。“这些矮星系为我们提供了一个本地的试验台,用于研究早期星系形成的理论,”马约利诺说。理解矮星系的秘密,可能就是理解宇宙中许多其他早期和正在发生的宇宙现象的秘密。 

雷恩斯已经踏上了追逐之路——未来,她计划将重点转移到 Henize 以外的其他黑洞和矮星系上。她说,她已经解答了自己长期以来对这个一直让她着迷的星系系统的疑问。Henize 可能还藏有更多奥秘等待其他天体物理学家去探索,但雷恩斯对她的研究表示“我感到非常满意”。“至少现在,这对我是个了结。” 

 

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Shi En Kim

编辑实习生

Shi En Kim(她通常被称为 Kim)是一位马来西亚出生的自由科学作家,也是《科学美国人》 2022 年春季的编辑实习生。她广泛撰写各种主题,从蜘蛛网的奇特用途(无论是人类还是蜘蛛本身)到外太空的垃圾收集器。


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