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(2022-08-29 18:04:44)
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是什么驱动星系？银河系的黑洞可能是关键
超大质量黑洞作为星系演化的引擎已经来到前面，但对银河系及其中心洞的新观测还没有挂在一起。
Olena Shmahalo for Quanta Magazine
August 23, 2022
5月12日，在世界各地同时举行的九次新闻发布会上，天体物理学家在银河系中心揭示了黑洞的第一张图像。起初，尽管令人敬畏，但精心制作的光环围绕着我们银河系中央黑暗坑的图像似乎只是证明了专家已经预料到的：银河系的超大质量黑洞存在，它正在旋转，它遵循阿尔伯特爱因斯坦的广义相对论。然而，仔细观察，事情并没有完全堆积起来。
从光的光面包围圈的亮度，研究人员已经估计了物质多快落在射手座A*上 –射手座A*是给银河系中央黑洞的名称。答案是：毕竟不快的。耶鲁大学的宇宙学家普利亚纳塔拉见（Priya Natarajan）说，“它被一个涓涓细流堵起来，”他将银河系比作一个破碎的淋浴喷头。不知怎的只有千分之一的物质从周围的星系际介质流进银河系并一路向下进入这个洞。纳塔拉见说，“这正在揭示一个巨大的问题，这种气体去哪儿了？对这个流正在发生什么？很清楚我们的黑洞增长的理解是怀疑的”。
在过去的四分之一个世纪里，天体物理学家已经来认识到在许多星系和在它们中心黑洞之间存在一个密织的动态关系。哈佛大学理论天体物理学家拉梅什·纳拉扬（Ramesh Narayan）说，“在这个领域中一直有一个真的巨大的转变，令人惊讶的是黑洞作为星系怎样演化的形成者和控制者是重要的”。
这些巨大的洞 - 物质的浓度是如此密以至于引力甚至阻止光逃逸- 就像星系的引擎一样，但研究人员仅开始了解它们怎样运作的。引力将尘埃和气体向内吸到星系中心，在那里它围绕超大质量黑洞形成一个涡旋的吸积盘，加热起并变成白热等离子体。然后，当黑洞吞没这个物质时（要么以点点滴滴要么突然爆发），能量在一个反馈过程中被吐回星系。普林斯顿大学理论天体物理学家艾略特·夸塔特（Eliot Quataert）说，“当你长出一个黑洞时，你正在产生能量并比通过我们所知的自然界中的任何其他过程更有效的将能量倾倒进周围环境中，这种反馈影响整个星系的恒星形成速率和气体流动模式”。
但研究人员关于超大质量黑洞的“活跃”情节只有模糊的想法，这将它们变成所谓的活跃星系核（AGNs）。哈佛 - 史密森天体物理中心的吉尔斯顿赫尔（Kirsten Hall）说，“触发机制是什么？什么是关断开关？这些是我们仍然正试图要解决的基本问题”。
恒星反馈当一颗恒星作为一颗超新星爆炸时发生，已知在一个更小尺度上有与活跃星系核反馈类似的效果。这些恒星引擎很容易大到足以来调节小 “矮”星系，而只有超大质量黑洞的巨型引擎能主导最大的“椭圆”星系的演化。
尺寸向的，银河系是一个典型的螺旋星系，坐在中间。在它的心有几个活动的明显迹象，我们的星系长期以来一直被认为被恒星反馈主导。但最近的几项观察提出活跃星系核反馈也形成它。通过研究在我们家园星系中这些反馈机制之间相互作用的细节，并抓住像目前射手座A*一样昏暗的难题，天体物理学家希望弄清楚星系和黑洞一般怎样共同进化的。纳塔拉见说，银河系“正在变成最强大的天体物理实验室”，通过用作为一个微宇宙，它“可能把持这把钥匙”。
星系引擎
到1990年代末，天文学家普遍接受星系中心黑洞的存在。到那时，他们可以看到足够接近到这些看不见的天体来从围绕它们恒星的运动推断出它们的质量。一个奇怪的共相关性浮现了：一个星系的质量越大，它中心黑洞就越重。卡内基梅隆大学天体物理学家提子阿娜迪马铁奥（Tiziana Di Matteo）说，“这特别的紧的，完全是革命性的。不知怎的黑洞正在对星系讲谈”。
当你考虑到黑洞- 尽管它很大 - 只是银河系大小的一个缺的部分时这种共相关性是令人惊讶的。（例如，射手座A*重约400万个太阳，而银河系测量约为1.5万亿个太阳的质量）。正因为如此，黑洞的引力只在银河系的最内层区域以任何力量拉着。
对英国皇家天文学家马丁·里斯（Martin Rees）来说，活跃星系核反馈提供了一种来将相对微小的黑洞联系到整个星系的自然方式。二十年前在1970年代，里斯正确地假设超大质量黑洞为在一些遥远的、明亮的叫类星体的发光星系中观察到的发光喷流提供动力。他甚至与唐纳德·林登-贝尔（Donald Lynden-Bell）一起提出了一个黑洞可以解释为什么银河系的中心发光。这些会是规制到处超大质量黑洞大小的一个普遍现象的迹象吗？
从来的射手座A*的首张图像，银河系的超大质量黑洞，是由一个名为事件地平线望远镜的全球射电望远镜联盟拍摄的。
EHT Collaboration
这个想法是一个黑洞吞噬的物质越多它就越亮，增加的能量和动量将气体向外吹。最终，向外的压力阻止气体落入黑洞。里斯说，“这将终止增长，以一种挥手的方式，这就是原因”。或者，用迪马铁奥的话来说，“黑洞吃并然后吞下”。一个非常大的星系在中央黑洞上放上更多的重量，使它向外吹气变得更困难，因此黑洞在它吞噬之前生长的更大。
然而，很少有天体物理学家信服下落物质的能量可以被以如此戏剧性的方式甩出来。纳塔拉见说，“当我做我的论文时，我们都痴迷于黑洞为一个不归路的点 - 气体只是进入” ，他作为里斯的研究生帮助开发了第一个活跃星系核反馈模型。“每个人都必须非常谨慎和充满勇气地去做它，因为它是如此激进的”。
几年后反馈想法得到了证实，来自迪马铁奥和天体物理学家沃尔克尔斯普灵格尔（Volker Springel）和拉尔斯何恩奎斯特（Lars Hernquist）开发的计算机模拟。迪马铁奥说，“我们想重现我们在真实宇宙中看到的令人惊叹的星系动物园”。他们知道基本图片：星系始自早期宇宙中小和密。将时钟向前移动，将这些矮人在一个壮观合并的拖焰中引力在一起，形成环、漩涡、雪茄以及介于两者之间的各种形状。星系的大小和种类增长，直到经过足够的碰撞后它们变得大和光滑。迪马铁奥说，“它在一个团中终结”。在模拟中，她和她的同事们可以通过多次合并螺旋星系来重新创建这些大型无特征的叫椭圆星系的圆斑点。但有一个问题。
虽然像银河系这样的螺旋星系有许多年轻的恒星辉光蓝色，但巨大的椭圆星系只包含非常古老的辉光红色的恒星。德国加兴马克斯普朗克天体物理研究所的斯普灵格尔说，“它们是红色的并死了”。但每次团队运行他们的模拟时，它都会吐出辉光蓝色的椭圆的。凡是关闭恒星形成的都没有在他们的计算机模型中被捕获过。
然后斯普灵格尔说，“我们有过用中心的超大质量黑洞来争论我们的星系合并的想法。我们让这些黑洞吞噬气体并释放能量直到整个东西像一个压力锅一样飞散。突然之间，椭圆星系将停止恒星形成并变成红色和死的”。
他补充道，“我的下巴掉了，我们没预料到[效果]会如此极端”。
通过再现红色和死亡的椭圆，模拟支持了里斯和纳塔拉见的黑洞反馈理论。一个黑洞尽管它的相对微小的尺寸，但能通过反馈与整个星系对话。在过去的二十年里，计算机模型已经被完善并扩展来模拟宇宙的大片区域，它们与我们周围看到的折衷星系动物园大致匹配。这些模拟还表明来自黑洞甩出的能量用热气体填充了星系之间的空间，否则这些气体应该已经冷却并变成了恒星。斯普灵格尔说，“人们现在信服超大质量黑洞是非常承诺的引擎，没有人能提出一个没有黑洞的成功模型”。
反馈的秘密
然而，计算机模拟仍然令人惊讶愚钝的。
随物质向内爬到围绕一个黑洞的吸积盘，摩擦力造成能量被向后推回，以这种方式损失的能量是某些编码人员通过反复试验手工放入他们的模拟的能量的东西。这是一个细节仍然难以捉摸的迹象。夸塔特说，“在某些例子中我们有可能因为错误的原因正在得到正确的答案，也许我们没有捕捉到关于黑洞怎样生长以及它们怎样将能量倾倒到周围环境中实际上最重要的东西”。
真相是天体物理学家并不真的知道活跃星系核反馈如何工作的。迪马铁奥说，“我们知道它有多重要。但是什么原因导致了这种反馈正在逃避我们。关键，关键问题是我们没有物理上深入的理解反馈”。
他们知道一些能量被以辐射的形式发射，这给活跃星系的中心它们特有的明亮辉光。强磁场也造成物质从吸积盘飞出，无论是作为弥漫的星系风还是强大的窄射流。纳拉扬说，黑洞被认为发射喷流的机制叫布兰德福德 - 兹纳耶克过程，这在1970年代被识别，但决定光束功率的因素以及它的能量被星系吸收多少“仍然是一个开放的未解决的问题”。星系风从吸积盘球形上发射，因此往往比窄射流更直接地与星系相互作用甚至是更神秘的。斯普灵格尔说，“数十亿美元的问题是：能量如何耦合到气体上？”
从天鹅座A星系中心的黑洞中浮现的喷流创造巨大的星际斑点，在射电波中可见。NRAO/AUI/NSF
仍然一个问题的一个迹象是黑洞在最先进的宇宙学模拟中比在一些某些系统中观察到的真实超大质量黑洞更小终结。为了关闭恒星形成并创造红色和死亡的星系，模拟需要黑洞来甩射出如此多的能量以至于它们扼杀掉物质的向内流，以便黑洞停止生长。纳塔拉见说，“模拟中的反馈过于侵略的;它过早的阻碍生长”。
银河系举例说明这个相反的问题：模拟通常预测一个它的大小的星系应该有一个比射手座A*更大3到10倍的黑洞。
通过更仔细观察银河系和附近的星系，研究人员希望我们能够开始精确地揭示活跃星系核反馈怎样工作的。
银河系生态系统
2020年12月，研究人员用eROSITA X射线望远镜报告说，他们已经发现了一对在银河系上下延伸数万光年的气泡。巨大的X射线气泡类似于同样令人困惑的伽马射线气泡，10年前，费米伽马射线太空望远镜探测到来自银河系的发放。
费米泡泡的两种起源理论仍在被激烈争论中。一些天体物理学家提出了它们是数百万年前射出射手座A*的喷流的遗物。其他人则认为气泡是银河系中心附近爆炸的许多恒星积累的能量------ 一种恒星反馈。
从银河系平面延伸出来的X射线（蓝色）和伽马射线（红色）的巨大气泡被认为追溯回到从银河系中心黑洞暂时发放的一个喷流。
Peter Predehe
当台湾国立清华大学的昊怡卡仁杨看到eROSITA X射线气泡的图像时，她“开始上蹿下跳”。杨很清楚如果X射线是由同一个活跃星系核射流产生的它们可能与伽马射线有一个共同的起源。（X射线将来自银河系中冲击的气体而不是来自喷流本身）。她与合著者艾伦滋味拜耳（Ellen Zweibel）和马塔伍兹鲁斯考斯基（Mateusz Ruszkowski）一起着手构建关于一个计算机模型。今年春天发表在《自然天体物理学》（Nature Astrophysics）上的结果不仅复制观测到的气泡和明亮的冲击锋的形状，而且预测它们在260万年的时间里形成（从一个活跃了10万年的喷流向外膨胀）------太快了不能被用恒星反馈解释。
这一发现提出活跃星系核反馈在银河系一样普通的盘状星系中可能比研究人员过去认为的要重要得多。杨说，正在浮现的图片类似于一个生态系统，其中活跃星系核和恒星反馈被星系周围的叫环星系介质的弥漫性热气体交织在一起。不同的效应和流动模式将在不同的星系类型和不同的时间占主导地位。
一个银河系过去和现在的案例研究可以揭示这些过程的相互作用。例如，欧洲的盖亚太空望远镜已经映射了数百万颗银河系恒星的精确位置和运动，允许天体物理学家来重新追溯它的与更小星系合并的历史。这种合并事件已经被假设通过将物质摇进超大质量黑洞来激活超大质量黑洞，造成它们突然变亮甚至发射喷流。夸塔特说，“在该领域中至于合并是否重要有很大争议”。盖亚星数据提出在费米和埃罗西塔气泡形成时银河系并没有经历合并，不利于合并作为毁约星系核喷流的触发。
盖亚飞船的对银河系内和周围数百万颗恒星和其他天体的位置和速度的测量已经允许天文学家来解开银河系与更小星系合并的历史。这些合并以恒星流的形式留下了痕迹。
S. Payne-Wardenaar / K. Malhan, MPIA
或者，气体团可能碰巧与黑洞碰撞并激活它。它可能在进食、打嗝出能量为喷射和星系风和暂停之间混乱的切换。
事件地平线望远镜的最近的射手座A*图像揭示它目前下落物质的涓涓细流，提出一个新的需要解决的难题。天体物理学家已经知道并非所有被吸入一个星系的气体将使它到黑洞的地平线，因为星系风向外推这种吸积流。但是，需要来解释这种极其锥形的流的风的强度是不现实的。纳拉扬说，“当我做模拟时我没有看到一个巨大的风，这不是那种你需要为一个正在发生的来全面解释的风”。
嵌套的模拟
理解星系怎样工作挑战的部分是恒星和黑洞中起作用的长度尺度与整个星系及它们周围环境的尺度之间的巨大差异。在计算机上模拟一个物理过程时，研究人员选择一个尺度并包括该尺度上的相关效应。但在星系中，大大小小的效应相互作用。
纳拉扬说，“与大星系相比黑洞真的很小，你不能把它们都放在一个巨大的模拟中，每个体制都需要来自另外家伙的信息，但不知道如何做出这个联系”。
为了弥合这一差距，纳拉扬、纳塔拉见及其同事正在启动一个将使用嵌套模拟来构建一个气体怎样流经银河系和附近活跃星系梅西 87的相干模型项目。纳拉扬说，“你允许来自星系的信息告诉黑洞该做什么，然后你允许来自黑洞的信息返回并告诉银河系该做什么，这是一个一圈又一圈着的循环”。
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这些模拟应该帮助澄清进入和围绕星系的弥漫气体的流动模式。（詹姆斯·韦伯太空望远镜对环绕星系介质的进一步观测也会有所帮助）。夸塔特说，“这是整个这个生态系统的关键部分，你如何让气体进入黑洞来驱动所有走回出去的能量？”
至关重要的是，在新方案中，不同尺度的仿真之间的所有输入和输出必须是一致的，更减少来拨动的刻度盘。纳拉扬说，“如果模拟设置正确，它将自我一致的决定多少气体应该到达黑洞，我们能探究它并问：为什么它没有吃掉所有的气体？为什么它如此挑剔，并且只消耗如此少的可用气体？” 该小组希望在星系演化的不同阶段创建一系列星系的快照。
就目前而言，关于这些星系生态系统的很多东西仍然是一种预感。杨说，“这真的是一个新纪元，人们开始考虑关于这些重叠的场景，我没有一个明确的答案，但我希望几年后我会”。
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