俄德华美发现银河大泡泡中的秘密

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翻译：董子毓

校译：DAIKIN

排版：媛子

后台：李鸣晨

原文链接：

https://phys.org/news/2022-03-massive-center-milky-supermassive-black.html

NASA可视化团队将欧洲航天局的盖亚太空天文台拍摄的一张银河系图像和一个由杨湘怡(该论文的第一作者、台湾清华大学的助理教授)与Mateusz Ruszkowski(美国密歇根大学)和Ellen Zweibel(美国威斯康辛大学)所制作的一个eROISTA泡和费米泡的可视化模拟叠加在一起。来源:ESA/Gaia/DPAC, CC BY-SA 3.0 IGO

2020年，X射线望远镜“eROISTA”拍摄到了两个延伸到银心上下方的巨大泡泡的图像。

从那时起，天文学家就开始争论它们的起源。现在，包括密歇根大学在内的一项研究表明，这些泡泡是银河系中心超大质量黑洞强烈活动喷流所导致的。这项发表在《Nature Astronomy》上的研究还表明，喷流大约在260万年前开始喷出物质，并持续了约10万年。

该团队的研究结果表明，2010年发现的费米泡和微波雾——大致位于星系中心的一种由带电粒子所组成的雾——都是由来自超大质量黑洞的喷流所形成的。这项研究是由台湾清华大学、美国密歇根大学和威斯康星大学合作进行的。

“我们的发现很重要, 因为我们需要了解黑洞是如何与星系相互作用的,这种相互作用使得这些黑洞以一个受控而非失控的方式增长,”密歇根大学的天文学家Mateusz Ruszkowski说,该研究的作者之一。“如果你相信费米/eROISTA泡的模型是由超大质量黑洞所驱动的，你就可以开始回答这些更深的问题了。”

Ruszkowski说，有两个不同的模型可以解释这些泡泡，分别是费米泡和eROISTA泡，由发现它们的望远镜名字命名。第一种模型认为，物质的外流是由星暴所驱动的，在星暴中，一颗恒星在超新星中爆炸并喷射出物质。第二个模型，也就是这次研究小组的发现所支持的模型认为，这些物质的外流是由银河系中心的超大质量黑洞释放出的能量驱动的。

eROSITA 是俄罗斯-德国“光谱-伦琴-伽马”（SRG）任务上的主要仪器，该任务于 2019 年 7 月 13 日从拜科努尔成功发射，并置于 L2 点周围的轨道上。图源：DLR

当物质向黑洞移动时，这些物质就会从黑洞中射出，但永远不会越过黑洞的视界，也就是从数学上任何物质都无法逃脱的表面。由于这些物质中的一些会被抛回太空，所以黑洞不会失控地增长。但从黑洞中释放出来的能量确实会取代黑洞附近的物质，从而产生这些大泡泡。

这些结构高度有1.1万秒差距。一秒差距相当于3.26光年，也就是光在一年里传播的距离的三倍。因此，这些结构的高度接近36000光年。

相比之下，银河系的直径是3万秒差距，而我们的太阳系距离银河系中心约8千秒差距。据研究人员称，eROISTA泡的大小大约是费米泡的两倍并且它们是通过费米泡推出的能量波或冲击波而膨胀的。

费米伽马射线太空望远镜（FGST/FGRST/GLAST）用于从低地球轨道进行伽马射线天文观测的空间天文台 图源：NASA

天文学家对这些eROISTA泡的观测特别感兴趣，因为它们发生在我们自己的银河系内，而不是在其他星系或在极远距离的物体。Ruszkowski 说，因为我们离这些外流很近，所以天文学家可以收集到大量的数据。这些数据可以告诉天文学家从黑洞喷射出的能量的总量，这些能量被喷出来了多长时间，以及泡泡由什么物质组成。

模拟的气体和CR性。

来源:《Nature Astronomy》(2022年)。DOI: 10.1038 / s41550 - 022 - 01618 - x

Ruszkowski说:“我们不仅可以排除星暴模型，在超大质量黑洞模型中，我们还可以微调所需的参数，以产生相同的图像，或和天空中的东西非常相似的东西。我们可以更好地限制某些东西，比如注入了多少能量，这些泡泡里面是什么，为了产生这些泡泡所花了多长时间。”

泡泡里面是什么? 宇宙射线，一种高能辐射。eROISTA泡包裹着费米泡，其中的物质我们尚不清楚。但研究人员的模型可以预测每个结构内部宇宙射线的数量。黑洞注入的这些能量使泡泡膨胀，而能量本身以动能、热和宇宙射线能量的形式存在。在这些形式的能量中，费米任务只能探测到宇宙射线的伽马射线信号。

该研究的第一作者、台湾清华大学的助理教授杨湘怡(Karen Yang)在密歇根大学与Ruszkowski一起做博士后研究时就开始研发本文中建模所用代码的早期版本。为了得出他们的结论，研究人员对能量释放进行了数值模拟，其中考虑了流体力学、重力和宇宙射线。

“我们的模拟是独特的，因为它考虑到了宇宙射线和银河系内气体之间的相互作用。被黑洞喷射出的宇宙射线，膨胀并形成费米泡，在伽马射线中闪耀，”杨湘怡说。

“同样的爆炸将气体从星系中心推开，并形成了冲击波，这就是我们所观察到的eROISTA泡。对eROISTA泡新的观测让我们能够更准确地限制黑洞活动的持续时间，并更好地理解我们自己星系的过去。”

星暴注入形成泡泡的能量的时间跨度约1000万年，因此研究人员的模型排除了星暴理论。研究的合著者，威斯康辛大学天文学和物理学教授Ellen Zweibel说道。

“另一方面，我们的活动黑洞模型精确地预测了eROISTA X射线泡泡和费米伽马射线泡泡的相对大小，前提是能量注入时间大约是星暴注入的1%，也就是10万年”Zweibel说。

“如果注入超过1000万年的能量，就会产生外观完全不同的泡泡。这是比较X射线和伽马射线泡泡的一个机会，这样就会给我们提供之前缺失的关键部分。”

研究人员使用了来自eROISTA任务、NASA费米伽马射线空间望远镜、普朗克天文台和威尔金森微波各向异性探测器的数据。

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责任编辑：王延昕

牧夫新媒体编辑部

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2021年2月18日，NASA的毅力号火星车在火星上着陆，并在2021年9月10日，即任务的第198个火星日，在一块昵称为罗切特的岩石上拍下了这张自拍。图片来源：NASA/JPL-Caltech/MSSS

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