129亿光年外的类星体分子气体外流

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编译：遠山真理

校译：刘思慧

审阅：牧夫天文校对组

编排：苏奕月

后台：李子琦

https://alma-telescope.jp/news/quasaroutflow-202401

研究背景介绍

在目前已知的宇宙中，存在着正在积极生成恒星的螺旋星系和已经完成恒星形成过程的椭圆星系。然而，星系究竟是在何时以及如何停止形成恒星，这依然是现代天文学面临的一个重大谜团。根据现有的研究，在宇宙诞生后约15亿年左右，就已经存在着恒星形成的不太活跃的巨型星系。这样的不活跃星系被认为是经历了积极的恒星形成时期后，由于某种原因导致恒星形成过程被抑制了。

其中一种理论认为，星系中的气体外流导致了这种抑制。这种外流现象在当前宇宙中的星系的盘面上已经被观测到了。由于分子气体是恒星的构成材料，因而分子气体的外流对调节恒星形成的进程起着重要作用。为了揭示恒星形成受到抑制的机制，要追溯到遥远的早期宇宙，研究恒星形成与外流之间的关系。

许多星系在其中心拥有质量很大的黑洞。这些超大质量黑洞会吸积周围的物质并发出耀眼的光芒，也被称为类星体。早期宇宙的类星体的宿主星系中可能存在着积极的恒星形成过程，并且由于超大质量黑洞的影响，可能产生强烈的分子气体外流。然而，到目前为止，在早期宇宙中观察到的类星体中，出现分子气体外流的例子很少，只有两个。在这两个案例中观察到的外流并没有对恒星形成产生足够强烈的影响，也没有影响星系的增长。

研究方法

研究团队利用阿尔玛望远镜观测了距离我们129亿光年的类星体J2054-0005。J2054-0005是宇宙年龄不到10亿年时最明亮的类星体之一。这种明亮的天体具有易于观测的优势。

分子气体的运动可以通过观察分子发出的射电信号波长的变化（多普勒位移）来实现。一氧化碳（CO）等放射的“亮线”经常用于分子气体的观测。然而，当观测星系外流时，来自星系本体旋转的辐射信号通常比外流引起的辐射信号要强得多，加上复杂的因素交织在一起，例如由于外流引起的辐射信号较弱而无法检测等，观测变得困难。迄今为止的CO等亮线观测并未检测到来自J2054-0005的喷流。

另一方面，类星体发出的连续谱（近似于黑体辐射）会产生名叫“吸收线”的信号，这是由于天体到观测者的视线方向上存在气体吸收特定波长的射电信号而产生的，就像是影子一样，这种方法可以避开亮线观测中的复杂因素，通过观察吸收线的多普勒位移来观测气体的运动。但是这种方法必须要有一个足够强的连续谱光源位于气体的背后，J2054-0005就刚好符合这个条件。本研究选取了羟基自由基（OH）分子的119微米（=0.119毫米）吸收线作为了本次观测的目标，并且成功检测到了J2054-0005的外流，并准确测量了速度。

这项研究成果得益于阿尔玛望远镜。遥远天体发出的光和射电信号微弱，需要具有高灵敏度的望远镜进行观测。另外，由于宇宙正在膨胀，来自遥远天体的光和射电信号的波长会被拉长。而阿尔玛望远镜是目前唯一能在这个波长上以高灵敏度观测到OH的望远镜。

研究成果

研究团队成功捕捉到了类星体J2054-0005产生的强大分子气体外流，这是世界首次发现分子气体外流对早期宇宙的星系成长具有重要影响的证据。他们检测到了由分子气体中的羟基自由基（OH）产生的吸收线，如图1所示。这是首次在遥远的类星体中以如此高的显著性检测到OH的吸收线。根据吸收线的波长，他们揭示了外流速度通常达到每秒700公里，最大可达每秒1,500公里。流出的分子气体量约为每年太阳质量的1,500倍，这个数量相当于J2054-0005每年产生新恒星的质量的两倍。预计在未来约1000万年的短时间内，用于恒星形成的分子气体将会耗尽。这项研究成果是支持分子气体外流抑制星系恒星形成的理论预测的重要证据。

图1. J2054-0005红移至356-359吉赫兹处的OH 119微米吸收线，原始数据的连续谱在6毫央斯基左右，本图已将连续谱扣除。

图源：参考论文

今后的展望

这项研究成果也产生了新的谜团。在J2054-0005中观察到了强烈到足以抑制恒星形成的外流，然而，在过去研究的两个类星体的外流并没有对恒星形成产生如此大的影响。这种差异是由什么引起的呢？未来，通过对更多的类星体进行羟基自由基（OH）的观测，统计调查发生强烈外流的星系所占比例，将成为解答这个问题的关键。此外，阿尔玛望远镜通过增加天线间距，可以提高空间分辨率。未来，若能解明外流在星系的何处以及如何发生，将有望使我们进一步深入理解星系的演化与分子气体外流之间的关系。

原理解读

由分子气体中的羟基自由基（OH）产生吸收线的机制。当气体被释放（外流）时，吸收线的中心会向短波长移动，因为气体朝向观察者移动，这称为多普勒蓝移。相反，当气体下降（内流）时，吸收线的中心会向长波长移动，因为气体远离观察者，这称为多普勒红移。在本次观测中，由于吸收线移动到了短波长，我们知道了这是释放，也就是外流。此外，由于吸收线的宽度大大扩展，我们可以得知在外流中的OH分子具有从快到慢各种不同速度的外流。

图片来源：ALMA（欧洲南方天文台/国立天文台/国家射电天文台），D. Salak等人。

参考论文

Dragan Salak, et al. Molecular outflow in the reionization-epoch quasar J2054-0005 revealed by OH 119 μm observations. The Astrophysical Journal. February 1, 2024.

责任编辑：甘林

牧夫新媒体编辑部

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名为星云 Sh2-239 的星云，它包含两个高度嵌入的非常年轻的恒星以及许多进化程度较高的恒星的星团。

图源：网络

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