洞悉超大质量黑洞周围的能量湍流

美国 - 艾赫巴里通讯社

洞悉超大质量黑洞周围的能量湍流

大多数天体物理学证据表明，超大质量黑洞（SMBH）位于包括我们银河系在内的巨大星系的中心。这些宇宙巨兽拥有非凡的质量，其质量常常是我们太阳的数十亿倍。这种巨大的质量集中对其周围环境产生了深远的影响，以多种方式塑造着星系环境。

SMBH的影响是广泛的。它们的引力决定了星系内数十亿颗恒星的轨道。当它们活跃时，它们会释放出强大的辐射的巨大射流，这些射流延伸数百万光年，充当宇宙灯塔。此外，它们巨大的能量输出在调节恒星形成中起着关键作用，常常限制着其宿主星系中新恒星的诞生。在极端情况下，当一颗单独的恒星靠得太近时，它可能会在潮汐瓦解事件这一惊人事件中被撕裂，留下碎屑的痕迹。

本质上，SMBH附近区域是湍流气体的混乱漩涡，被黑洞巨大的能量加热到极端程度。尽管天体物理学家长期以来都理解这一总体图景，并承认这种湍流在恒星形成和星系的整体演化中必须发挥关键作用，但许多具体问题仍未得到解答。现在，两篇利用JAXA/NASA/ESA的X射线成像和光谱学任务（XRISM）太空望远镜数据的最新研究论文，以前所未有的清晰度照亮了SMBH周围的这些密集区域。

题为“Disentangling multiple gas kinematic drivers in the Perseus galaxy cluster”（区分英仙座星系团中气体多个运动学驱动因素）的第一篇论文，已发表在享有盛誉的《自然》杂志上。XRISM合作项目被列为该项工作的总体作者。题为“A XRISM/Resolve view of the dynamics in the hot gaseous atmosphere of M87”（M87热气体大气动力学的XRISM/Resolve视角）的第二项研究，将发表在《天体物理学杂志》上。这篇论文的主要作者是芝加哥大学的研究生Hannah McCall，她突显了该领域新兴人才的贡献。

这项新的观测能力代表了重大飞跃。芝加哥大学的研究生、Nature论文的首席作者之一Annie Heinrich说：“这是我们第一次能够直接测量黑洞搅动的气体的动能。”她生动地概括了研究结果的精髓，并补充道：“这就像每个超大质量黑洞都坐在‘自己风暴的眼睛’里一样。”这个比喻强调了探测这些能量现象核心的能力。

XRISM于2023年发射，专门用于研究活动星系核（AGN）反馈及相关宇宙过程。该天文台配备了两个先进的仪器，每个仪器都配有自己的望远镜：Resolve和Xtend。与其前身Hitomi（仅运行了约五周后就停止运行）相比，XRISM拥有显著增强的灵敏度和观测能力。关键的是，XRISM具有区分来自不同化学元素和不同电离态X射线的卓越能力，并以非凡的精度进行这些区分。

Nature研究的联合负责人Congyao Zhang解释说：“XRISM使我们能够毫不含糊地区分由黑洞驱动的气体运动和由其他宇宙过程驱动的气体运动，而这在以前是不可能的。”Zhang曾是芝加哥大学的博士后研究员，现任捷克马萨里克大学的成员，他详细阐述了克服的挑战。区分这些运动的困难源于SMBH吸积过程本身固有的混乱和杂乱性质。当SMBH通过积极吸积气体和尘埃来“进食”时，这些物质会形成一个围绕黑洞旋转的吸积盘。虽然一部分物质不可避免地落入黑洞，但很大一部分会以强大的喷流形式向外喷射。这些由高能粒子组成的喷流以接近相对论的速度传播，将近乎难以想象的能量注入周围的星系环境，影响着远达数十万光年的区域。

天文学家长期以来一直在观察这种“黑洞反馈”对星系演化和恒星形成调控的影响。然而，先前的观测缺乏XRISM提供的详细光谱分辨率。这些新的观测比以往任何努力都更深入地穿透了黑洞反馈的复杂领域。通过分析当黑洞的能量输出撞击气体时由不同元素发出的X射线中的细微差别，XRISM可以精确地追踪不同气体成分的运动和速度。

Heinrich进一步说明了这一进展：“在XRISM之前，就像我们能看到风暴的图片。现在我们可以测量龙卷风的速度。”

其中一项研究集中在M87星系，该星系位于室女座星系团的中心，距离我们约5300万光年。XRISM的观测捕捉到了M87超大质量黑洞周围热气体的湍流动力学，揭示了活动中强大的喷流和能量过程。XRISM获得的X射线光谱清楚地识别了气体中存在的不同元素。此外，光谱线的精确形状和位置揭示了加热气体的速度，提供了其运动的直接测量。这种能够如此详细地测量气体运动学的功能，为理解超大质量黑洞与其星系生态系统之间复杂的相互作用提供了关键的见解。

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