黑洞可能導致銀河系兩個巨大氣泡的來源

一項由台灣國立清華大學助理教授楊湘怡（Karen Yang）為首的國際研究團隊，使用來自歐洲太空總署的eRosita任務、美國太空總署的費米（Fermi）伽馬射線太空望遠鏡、歐洲太空總署的普朗克（Planck）衛星和美國太空總署的威爾金森微波各向異性探測器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe）數據， 得出兩個巨大的氣泡在銀河系中心的上方和下方延伸很遠，可能是超大質量黑洞強大的活動噴流的結論。

自從2020年以來，當X射線望遠鏡eRosita拍攝氣泡的圖像時，天文學家就一直在爭論它們的起源。這項新的研究還顯示，這些噴流大約在二百六十萬年前開始噴出物質，並持續了大約十萬年。

研究結果顯示，2010年發現的費米汽泡（Fermi bubbles）氣泡和微波霧（大致位於銀河系中心的帶電粒子霧）是來自超大質量黑洞的同一束能量射流形成。

美國密芝根大學的天文學副教授馬修·魯斯科夫斯基（Mateusz Ruszkowski）表示，我們的發現很重要，因為需要了解黑洞如何與它們所在的星系相互作用，因為這種相互作用允許這些黑洞以受控方式生長，而不是不受控制地生長。

魯斯科夫斯基說：「有兩種相互競爭的模型可以解釋這些氣泡，分別以命名它們的望遠鏡命名費米氣泡和eRosita氣泡。第一個是核星暴（nuclear starburst），其中一顆恆星在超新星中爆炸並排出物質，驅動了噴流。該團隊的研究結果支持的第二個模型，我們銀河系中心的超大質量黑洞拋出的能量驅動了噴流。」

這些從黑洞流出的物質發生在物質向黑洞移動時，但從未穿過黑洞的事件視界，也就是沒有任何東西可以逃逸的數學表面。由於其中一些物質拋回太空，黑洞不會失控地生長。但是從黑洞拋出的能量確實會取代黑洞附近的物質，從而產生這些大氣泡。

這些結構本身高一萬一千秒差距（parsec 一秒差距相當於 3.26 光年），大約是光在一年中傳播距離的三倍。因此，這些結構有近三萬六千光年高。

相比之下，銀河系的直徑是三萬秒差距，而我們的太陽系距離銀河系中心大約八千秒差距。據研究人員稱，eRosita 氣泡的大小約為費米氣泡的兩倍，受到費米氣泡推出的能量波或衝擊波擴大。

天文學家對觀察這些eRosita氣泡特別感興趣，因為它們發生在我們自己的銀河係後院，而不是不同星系或極端宇宙距離的物體。魯斯科夫斯基說：「我們靠近噴流意味著天文學家可以收集大量數據。這些數據可以告訴天文學家黑洞噴流中的能量數量、這種能量注入了多長時間以及氣泡是由什麼材料構成。」

它們裡面有什麼？宇宙射線，一種高能輻射。eRosita氣泡包圍了費米氣泡，其中的內容是未知的。但研究人員的模型可以預測每個結構內的宇宙射線數量。

從黑洞注入的能量使氣泡膨脹，能量本身以動能、熱能和宇宙射線能量的形式存在。在這些能量形式中，費米任務只能探測到宇宙射線的伽馬射線訊號。

現職台灣國立清華大學，曾經是密芝根大學的博士後研究員的楊湘怡，與魯斯科夫斯基一起開始研究。為了得出他們的結論，研究人員對能量釋放進行了數值模擬，其中考慮了流體動力學、重力和宇宙射線。

楊湘怡表示，我們的模擬是獨一無二，因為它考慮了銀河系內宇宙射線和氣體之間的相互作用。由黑洞噴流注入的宇宙射線膨脹並形成發射伽馬射線的費米氣泡。同樣的爆炸將氣體推離銀河系中心並形成衝擊波，隨著eRosita氣泡的出現並且觀測得到。對eRosita氣泡的新觀測數據使我們能夠更準確地限制黑洞活動的持續時間，並更好了解我們自己星系的過去歷史。

美國威斯康辛大學天文學和物理學教授艾蓮·快貝（Ellen Zweibel）説：「研究人員的模型排除了核星暴理論，因為核星暴的典型持續時間，以及星暴注入形成氣泡的能量的時間長度約為一千萬年。」

【圖：歐洲太空總署；文：節譯自美國密芝根大學2022年3月7日新聞公佈】研究全文刊登在2022年3月7日出版的《自然-天文學》期刊；標題是：Fermi and eROSITA bubbles as relics of the past activity of the Galaxy’s central black hole