天文学家发现能量如何逃离银河系中心

    银河系中心是银河系中最强大的引擎的家园：一个超大质量黑洞。它的能量最终如何逃逸呢？

STARTS WITH A BANG — MAY 13, 2024

Ethan Siegel

这张照片中最亮的X射线脊以白色出现，似乎追踪一条从银河系中心离开并垂直于银河系平面的路径。研究人员认为，这些特征是一个隧道的壁，形状像一个圆柱体一样，随热气体沿着烟囱向上移动并远离银河系中它帮助漏斗热气体。X射线数据以蓝色显示，无线电数据以橙色/红色显示。Credit: X-ray: NASA/CXC/Univ. of Chicago/S.C. Mackey et al.; Radio: NRF/SARAO/MeerKAT; Image Processing: NASA/CXC/SAO/N. Wolk

关键要点

    银河系的中心就像大多数大的大质量星系的中心一样，包含一个超大质量黑洞，质量是太阳质量的数百万倍。

    这种强大的引力拉力撕裂开任何离它太近的物质，加速它，加热它，并以巨大的能量将大部分物质吐进宇宙。

    但这种能量去哪儿以及它最终如何消散呢？一个垂直于银河系盘的“烟囱”的新X射线观望可能最终揭示答案。

    与最高能的星系不同，我们的银河系是不活跃的。

盖亚的我们的银河系和邻近星系的全天空观望。这些映射显示恒星的总亮度和颜色（顶部）、恒星的总密度（中间）以及填充银河系的星际尘埃（底部）。请注意，平均而言，每平方度大约有1000万颗恒星，但某些区域如银河系平面或银河系中心有远高于整体平均水平的恒星密度。Credit: ESA/Gaia/DPAC

    虽然我们拥有一个超大质量黑洞，但它没有正在主动进食。

这个来自欧洲南方天文台的我们的银河系中心附近恒星的20年时间过去。请注意这些特征的分辨率和灵敏度是朝向最后如何变得清晰和提高的，它们都围绕着我们银河系的（不可见的）中央超大质量黑洞运行。实际上甚至在早期，每个大星系都被认为有一个超大质量黑洞，但只有银河系中心的那个星系是足够近来看到围绕它的单个恒星的运动，从而准确地确定黑洞的质量。宇宙中黑洞的实际数量密度，以及它们的数量密度为一个质量的函数，仍然只估计得很差，仍然有很大的不确定性。Credit: ESO/MPE

    积极吃食的超大质量黑洞代表宇宙中最高能量的引擎。

半人马座A星系是最接近地球的活跃星系的一个例子，它的高能喷流被中心黑洞周围的电磁加速度造成。它的喷流范围远远小于钱德拉围绕画匠（Pictor A）观察到的喷流，后者本身比Alcyoneus的喷流远更小，后者仍然比在大质量星系团中发现的喷流更小。仅这张照片描画从约10 K到数百万K的温度范围，以及物理上甚至比银河系本身的恒星范围更大的相对论性喷流。Credit: X-ray: NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al Radio: NSF/VLA/Univ. of Hertfordshire/M.Hardcastle et al. Optical: ESO/VLT/ISAAC/M.Rejkuba et al.

    除大爆炸之外，没有任何天体物理事件能胜过活跃的星系核（AGN）和类星体。

宇宙中见到的最大爆炸的证据来自钱德拉和XMM-牛顿X射线数据的一个结合。这次喷发被位于星系团中心星系的一个黑洞产生，该黑洞喷出了喷流并在周围的热气体中雕刻了一个大空洞。研究人员估计这次爆炸释放的能量是之前记录保持者的五倍，是典型星系团的数十万倍。X射线发射气体能到达的温度范围从数百万到甚至约1亿K。Credit: X-ray: Chandra: NASA/CXC/NRL/S. Giacintucci, et al., XMM-Newton: ESA/XMM-Newton; Radio: NCRA/TIFR/GMRT; Infrared: 2MASS/UMass/IPAC-Caltech/NASA/NSF

    从X射线到无线电波，活跃星系核和类星体引擎明亮的照耀。

在一个中央巨大的椭圆星系的左右两侧，可以看到一个大约60亿光年外的类星体的X射线中的多个图像。通过结合来自美国宇航局钱德拉X射线天文台和欧空局XMM-牛顿天文台的数据，科学家们能够测量类星体的中心超大质量黑洞的（快速）旋转。这只是支持黑洞存在的众多压倒性证据之一，没有好的替代留下。Credit: X-ray: NASA/CXC/Univ of Michigan/R.C.Reis et al; Optical: NASA/STScI

    发射的粒子和辐射的双极射流将能量向外溜到宇宙中。

虽然类星体和活动星系核的遥远宿主星系往往能被在可见光/红外光中成像，但喷流本身和周围发射最好在X射线和无线电中观望，如图所示的大力神A星系。它需要一个黑洞来为这样一个引擎提供动力，但这并不一定意味着这是从事件地平线内部逸出的物质/辐射。Credit: NASA, ESA, S. Baum and C. O’Dea (RIT), R. Perley and W. Cotton (NRAO/AUI/NSF), and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

    然而，我们的银河系的中心黑洞不是完全静止的。

甚至银河系，一个相对安静的有一个相对较小的中心超大质量黑洞的星系展示从银河系中心发放的巨大带电粒子间歇泉。它们能被通过射电望远镜揭示，例如这张用帕克斯射电望远镜（又名碟形望远镜）的数据构建的图像。Credit: A. Mellinger (C. Michigan), E. Carretti (CSIRO), S-PASS Team, E. Bressert (CSIRO)

   X射线耀斑表明银河系中心偶尔的 “吃零食” 物质。

我们银河系中心的超大质量黑洞人马座A*由于各种物理过程发射X射线。我们在X射线中看到的耀斑表明物质不均匀且不连续地流向黑洞，导致我们随着时间观察到耀斑。Credit: NASA/CXC/Amherst College/D.Haggard et al.

    巨大的低密度费米气泡在银河系平面上方和下方延伸25000光年。

在主图中，我们银河系的反物质喷流被描绘，在我们银河系周围的气体晕中吹出“费米气泡”。在小的插图中，实际的费米数据显示源自这一过程的伽马射线发射。这些“气泡”源自由电子-正电子湮灭产生的能量：物质和反物质相互作用并经由E = mc^2 转化为纯能量的一个例子。我们确信，我们银河系中没有任何反物质签名源自要么反物质恒星要么大块反物质。Credit: David A. Aguilar (main); NASA/GSFC/Fermi (inset)

    在银河系中心本身内，磁场形成物质和辐射的流。

虽然银河系中心出现在这张图像的右下角惊人的，但更令人费解的是看到的“环状”特征，这是银河系磁丝状链的证据。这些非热丝在理论上已经被预测过，但猫鼬阵列已经识别并以意想不到和前所未见的属性成像了它们。Credit: I. Heywood et al., 2022, ApJ

    恒星灾难 - 加上年轻、大质量的恒星 - 在人马座A*附近是常见的。

这种史无前例的银河系中心观望来自南非的猫鼬射电阵列，并突出以前从未见过的特征，包括细丝、以前从未见过的气泡，以及潜在的新超新星遗迹和恒星形成区域。Credit: I. Heywood et al., 2022, ApJ

    那么，能量如何被从银河系中心向外传输的呢？

星系坐标中一个银河系中心的X射线观望显示我们银河系核心的超大质量黑洞（黑点）相对于排气口的位置（蓝色虚线框，左图），位于烟囱南部（绿框，右图）下方。按距离/比例，一秒差距 （pc） 约为 3.26 光年。Credit: S. C. Mackey et al., ApJ submitted, 2024

    答案被在X射线数据中揭示：通过一个烟囱一样结构的中央“排气口”。

这种线性X射线发射特征位于银河系中心烟囱的南部内，提示一个圆柱形等离子体流出通道允许物质冲击/压缩/加热星际介质。连续喷发可能维持这一特征和其他类似的特征。Credit: S. C. Mackey et al., ApJ submitted, 2024

    观测到的等离子体流出通道离开银河系中心。

这张壮观的合成图像结合来自美国宇航局伟大天文台的X射线，红外线和光学光，是截至2009年我们的银河系中心正在发生的事情的最佳观望。然而，在过去的约15 年里，我们已经获取揭示了目前尚未完全解释的新特征的数据。垂直于银河系平面的特征在上方和下方上升，表明能量和气体以一个烟囱状的方式传输。Credit: NASA/JPL-Caltech/ESA/CXC/STScI

    喷发驱动物质向上，通过烟囱并向外：通过这个排气口。

这张由X射线（钱德拉）和无线电（MeerKAT）数据组成的复合图像显示与先前识别的银河系烟囱相连的排气口的证据，突出能量和气体如何随着时间从银河系中心传输出去。Credit: X-ray: NASA/CXC/Univ. of Chicago/S.C. Mackey et al.; Radio: NRF/SARAO/MeerKAT; Image Processing: NASA/CXC/SAO/N. Wolk

    连续的吸积事件可能的跨长时间尺度维持这种结构。

这张图像显示磁化的银河系中心，突出显示了各种特征，由SOFIA / HAWC + FIPLACEE勘查团队成像。图像左侧的巨型气泡宽约30光年，比从来发现的任何其他超新星爆炸气泡都更大几倍。Credit: D. Paré et al., arXiv:2401.05317v2, 2024

    最后，银河系中心内的能量传输终于有意义了。

这个更新的银河系中心的射电/X射线合成图像，特征来自猫鼬和钱德拉的数据，展示能被从一起拼接多种波长的光来收集的新信息。在未来，改进的观测和优越的天文台可能帮助我们解开各种特征起源的科学奥秘，包括叶片、气泡和精灵。Credit: X-ray: NASA/CXC/UMass/Q.D. Wang; Radio: NRF/SARAO/MeerKAT

    大多寂寞的星期一以图像、视觉效果和不超过 200 字讲述一个天文故事。

https://bigthink.com/starts-with-a-bang/energy-escape-galactic-center/