黑洞重燃了火鳳凰?

中央研究院天文及天文物理研究所研究成果發表,日期:2020年8月31日

在一個位於鳳凰座星系團中心,與地球相距59億光年的星系

天文學家已偵測到從星系的黑洞噴出的熱氣體噴流

這項發現顛覆了我們對星系團「如何加熱和冷卻」的既有認識,

對了解星系共演化、氣體、星系團中心、黑洞等研究領域,帶來重要意義。

星系空間分布並不均勻。受到共同重力吸引,星系會聚集在一起,形成「星系團」。同時,星系之間的空間也不是真空,而是有著非常稀薄高溫的氣體,透過X射線可以觀測到。

星系團內的氣體冷卻時,因自身的重力塌縮,會在星系團中心形成恆星。但問題是,在附近的星系團中心,冷卻氣體和恆星這兩者,通常,卻不能同時觀測到,這表示氣體不夠冷,必然有某種機制在加熱星系團內氣體,阻止了恆星的形成。在這樣的機制中,熱源供應的一個可能,就是星系中的超大質量黑洞加速之下的高速氣體噴流。

鳳凰座星系團的不尋常之處就在於,這個星系團的中央星系四周確實顯示密集的冷卻氣體,又有大量恆星形成的跡象。這和銀河系附近的星系團觀察到的現象不一樣。接下來當然想回答的問題是:「那麼,鳳凰座星系團中央星系是否也有黑洞噴流?」

日本國立天文臺赤堀卓也教授領導的團隊,藉使用澳大利亞望遠鏡密集陣列(ATCA),以至今最高的解析力在鳳凰座星系中搜查黑洞噴流,發現與黑洞噴流一致的結構,自中央星系朝兩側外展。再將這項特徵與錢卓X射線天文台前幾年已獲取的觀測數據檔案比對,結果便顯示,ATCA探測到的結構,和密度較小的氣體空腔也可對應得上,這表明ATCA探測到的是,星系中的黑洞所噴發的一對雙極噴流。因此,該團隊證實,他們發現史上第一個顯示星系團內部冷卻氣體和黑洞噴流同時存在的案例--而且是在遙遠宇宙中。這項突破性的證據,改寫了我們對星系如何加熱和冷卻的既有知識。相較於先前在鳳凰座星系團做過的觀測,這次的觀測花了更長時,並且用了更高的觀測頻率,因此獲得高解析和高靈敏度,取得了重要成果。

論文團隊成員上田周太朗,從2018年開始在中研院天文所擔任博士後研究對這項結果表示很開心。因為早在2013年時他是一個指出鳳凰座星系團具有獨特結構的人,如今終於在實際觀測上證實鳳凰座星系團不尋常。「一般來說,中央星系裡的活躍星系核發出的噴流會與周圍的星際介質相互作用,在X射線觀測上能找得到稱為『X射線空腔』的特定結構(註:空腔也就是個空洞)。為了找找看鳳凰座星系團中有沒有這樣的洞洞,2013年時我分析過錢卓X射線天文臺拍攝的資料,並發現了一南一北的兩個空腔。現在,由於噴流的位置與X射線空腔的位置一致,所以這項最新結果支持:噴流、冷氣體大量的恆星形成,共存於鳳凰座星系團中心,非常特別。」

示意圖:插畫呈現觀測所見結構。

圖像版權:NAOJ

圖說:電波觀測到鳳凰座星系團有噴流結構,自中心延伸出來。

圖像版權:赤堀卓也

研究團表示,進一步探討該星系和噴流的更多細節,可以藉由下一代觀測設施(如計劃在2020年代末開始觀測的「平方公里陣列」)以更高的角解析力來達成。

本篇論文已於2020年8月5日發表於在「日本天文學會歐文研究報告」 “Discovery of Radio Jets in the Phoenix galaxy cluster center”論文第一作者為赤堀卓也。

相關連結:

NAOJ: Can Black Hole Fire Up Cold Heart of the Phoenix?

媒體聯絡:

中央研究院天文及天文物理研究所 周美吟,Email: cmy@asiaa.sinica.edu.tw Tel: (02)2366-5415

原文:NAOJ 版新聞稿

編譯:黃珞文

科學編輯:上田周太朗博士、周美吟博士