12月XNUMX日，在世界各地同时举行的九场新闻发布会上，天体物理学家 透露了第一张图片 银河系中心的黑洞。起初，虽然令人惊叹，但精心制作的围绕银河系中心黑暗深坑的光环图像似乎只是证明了专家们已经预料到的事情：银河系的超大质量黑洞存在，它正在旋转，并且遵循阿尔伯特·爱因斯坦的定律广义相对论。
然而，经过仔细观察，事情并没有完全吻合。
根据百吉饼的亮度，研究人员估计 太快了 物质正落到人马座 A* 上——这是银河系中心黑洞的名字。答案是：一点也不快。 “它被一点点的细流堵塞了，”说 普里亚纳塔拉詹耶鲁大学的宇宙学家将银河系比作破碎的喷头。不知何故，只有千分之一的物质 流入银河系 从周围的星际介质中释放出来，使其一直向下进入洞中。 “这揭示了一个巨大的问题，”纳塔拉詹说。 “这些气体要去哪里？流量发生了什么？很明显，我们对黑洞增长的理解是值得怀疑的。”
在过去的四分之一个世纪里，天体物理学家逐渐认识到许多星系与其中心的黑洞之间存在着一种紧密的、动态的关系。 “这个领域确实发生了巨大的转变，”说 拉梅什·纳拉扬（Ramesh Narayan），哈佛大学理论天体物理学家。 “令人惊讶的是，黑洞作为星系演化的塑造者和控制者非常重要。”
这些巨大的洞——物质的聚集如此密集，以至于引力甚至阻止光逃逸——就像星系的引擎，但研究人员才刚刚开始了解它们的运作方式。重力将尘埃和气体向内吸引到银河系中心，在那里它们在超大质量黑洞周围形成一个旋转的吸积盘，加热并变成白热等离子体。然后，当黑洞吞噬这种物质时（无论是点点滴滴还是突然爆发），能量在反馈过程中被喷回到星系中。 “当你生长一个黑洞时，你会产生能量并将其倾倒到周围环境中，这比我们所知的自然界中的任何其他过程都更有效，”说 艾略特·夸塔尔特，普林斯顿大学理论天体物理学家。这种反馈会影响整个星系的恒星形成速率和气体流动模式。
但研究人员对超大质量黑洞的“活跃”事件只有模糊的想法，这将它们变成了所谓的活跃星系核（AGN）。 “触发机制是什么？什么是关闭开关？这些是我们仍在努力解决的基本问题。” 克尔斯滕·霍尔 哈佛-史密森天体物理学中心的教授。
恒星反馈是在恒星作为超新星爆炸时发生的，众所周知，它与较小规模的活动星系核反馈具有类似的影响。这些恒星引擎很容易大到足以调节小型“矮”星系，而只有超大质量黑洞的巨型引擎才能主导最大“椭圆”星系的演化。
从尺寸上看，银河系是一个典型的螺旋星系，位于中间。由于其中心几乎没有明显的活动迹象，我们的星系长期以来一直被认为是由恒星反馈主导的。但最近的一些观察表明，活动星系核的反馈也会影响它。通过研究我们所在星系中这些反馈机制之间相互作用的细节，并解决诸如人马座 A* 目前的暗度之类的难题，天体物理学家希望弄清楚星系和黑洞总体上是如何共同演化的。纳塔拉扬说，银河系“正在成为最强大的天体物理实验室”。作为一个缩影，它“可能掌握着关键”。
银河引擎
到 1990 世纪 XNUMX 年代末，天文学家普遍承认星系中心存在黑洞。到那时，他们就可以足够近地看到这些看不见的物体，从而从周围恒星的运动中推断出它们的质量。 A 出现了奇怪的相关性：星系质量越大，其中心黑洞就越重。 “这特别严格，而且完全是革命性的。不知何故，黑洞正在与星系对话。” 蒂齐亚娜·迪·马泰奥，卡内基梅隆大学天体物理学家。
当你考虑到黑洞虽然很大，但只占星系大小的一小部分时，这种相关性是令人惊讶的。 （例如，人马座 A* 的质量约为 4 万个太阳，而银河系的质量约为 1.5 万亿个太阳质量。）因此，黑洞的引力只对银河系最内部区域产生任何力量。
对于英国皇家天文学家马丁·里斯来说，活动星系核的反馈提供了一种将相对较小的黑洞与整个星系连接起来的自然方式。二十年前，即 1970 世纪 XNUMX 年代，里斯正确地假设超大质量黑洞 为发光喷射提供动力 在一些遥远的、明亮的发光星系（称为类星体）中观察到。他甚至 建议以及唐纳德·林登·贝尔（Donald Lynden-Bell）认为，黑洞可以解释为什么银河系中心会发光。这些是否是控制各地超大质量黑洞大小的普遍现象的迹象？
这个想法是，黑洞吞噬的物质越多，它就会变得越亮，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。 “这将终止增长。以挥手的方式，这就是推理，”里斯说。或者，用迪马特奥的话来说，“黑洞先吃然后吞”。一个非常大的星系对中心黑洞施加了更多的重量，使得向外吹出气体变得更加困难，因此黑洞在吞噬之前会变得更大。
然而，很少有天体物理学家相信坠落物质的能量能够以如此戏剧性的方式喷射出来。 “当我写论文时，我们都痴迷于黑洞，认为黑洞是一种不归路——只有气体进入，”纳塔拉扬说，他作为里斯的研究生帮助开发了第一个活动星系核反馈模型。 “每个人都必须非常谨慎和小心翼翼地做这件事，因为它是如此激进。”
几年后，迪马特奥和天体物理学家开发的计算机模拟证实了反馈想法 沃尔克·斯普林格尔 和 拉尔斯·赫恩奎斯特。 “我们想要重现我们在真实宇宙中看到的令人惊叹的星系动物园，”迪马特奥说。他们知道基本情况：在早期宇宙中，星系一开始小而稠密。将时钟向前拨动，重力将这些小矮人猛烈地合并在一起，形成环、漩涡、雪茄以及介于两者之间的各种形状。星系的大小和种类不断增长，直到经过足够的碰撞后，它们变得又大又光滑。 “它最终会变成一团，”迪马特奥说。在模拟中，她和她的同事可以通过多次合并螺旋星系来重新创建这些巨大的无特征斑点，称为椭圆星系。但是有一个问题。
虽然像银河系这样的螺旋星系有许多发蓝光的年轻恒星，但巨大的椭圆星系只包含发红光的非常古老的恒星。 “它们是红色的，死了，”德国加兴马克斯·普朗克天体物理研究所的斯普林格尔说。但每次团队运行模拟时，它都会吐出发出蓝光的椭圆形。他们的计算机模型没有捕捉到是什么导致了恒星形成。
然后，斯普林格尔说，“我们有了用中心超大质量黑洞来增强星系合并的想法。我们让这些黑洞吞噬气体并释放能量，直到整个物体像高压锅一样四分五裂。突然间，椭圆星系将停止恒星形成，并变得红色和死亡。”
“我的下巴都惊掉了，”他补充道。 “我们没想到[效果]会如此极端。”
通过复制红色和死色的椭圆形，模拟支持了里斯和纳塔拉扬的黑洞反馈理论。黑洞尽管尺寸相对较小，但可以通过反馈与整个星系对话。在过去的二十年里，计算机模型已经得到完善和扩展，可以模拟大片的宇宙，它们与我们周围看到的不拘一格的星系动物园大体相符。这些模拟还表明，黑洞喷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恒星。斯普林格尔说：“人们现在确信超大质量黑洞是非常合理的引擎。” “没有人提出一个没有黑洞的成功模型。”
反馈的奥秘
然而计算机模拟仍然令人惊讶地生硬。
当物质向内蠕动到黑洞周围的吸积盘时，摩擦会导致能量被推出；这种方式损失的能量是编码员通过反复试验手工投入模拟的。这表明细节仍然难以捉摸。 “在某些情况下，我们有可能因为错误的原因而得到正确的答案，”夸塔特说。 “也许我们没有捕捉到黑洞如何生长以及它们如何向周围环境释放能量的最重要的事情。”
事实是，天体物理学家并不真正了解活动星系核反馈的工作原理。 “我们知道它有多重要。但我们不知道到底是什么导致了这种反馈，”迪马特奥说。 “关键、关键的问题是我们没有深入、实际地理解反馈。”
他们知道一些能量以辐射的形式发射出来，这使得活跃星系的中心发出特有的明亮光芒。强磁场也会导致物质从吸积盘中飞出，要么是扩散的银河风，要么是强大的狭窄喷流。人们认为黑洞发射喷流的机制被称为 布兰德福德-兹纳耶克法，在 1970 世纪 XNUMX 年代就被发现了，但是什么决定了光束的功率，以及它的能量有多少被星系吸收，“仍然是一个悬而未决的问题，”纳拉扬说。银河风从吸积盘呈球形喷出，因此比窄喷流更容易与星系相互作用，因此更加神秘。 “价值数十亿美元的问题是：能量如何与气体耦合？”斯普林格尔说。
仍然存在问题的一个迹象是，最先进的宇宙学模拟中的黑洞最终会消失。 小 比某些系统中观测到的真实超大质量黑洞的大小还要大。为了关闭恒星形成并创建红死星系，模拟需要黑洞喷射出大量能量，以阻止物质向内流动，从而使黑洞停止生长。 “模拟中的反馈过于激进；它会过早地阻碍生长，”纳塔拉詹说。
银河系例证了相反的问题：模拟通常预测，同等大小的星系应该有一个比人马座 A* 大 10 到 XNUMX 倍的黑洞。
通过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准确地揭示活动星系核反馈的工作原理。
银河系生态系统
2020 年 XNUMX 月，研究人员利用 eROSITA X 射线望远镜报告说，他们已经 发现一对气泡 银河系上下绵延数万光年。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从星系发出的伽马射线气泡。
费米气泡的两种起源理论仍在激烈争论。一些天体物理学家认为它们是数百万年前从人马座 A* 喷射出来的喷气式飞机的遗迹。其他人则认为这些气泡是许多恒星在银心附近爆炸所积累的能量——一种恒星反馈。
什么时候 相宜杨凯伦 台湾国立清华大学的女教授看到 eROSITA X 射线气泡的图像，她“开始上蹿下跳”。杨很清楚，如果 X 射线和伽马射线都是由同一活动星系核射流产生的，那么它们可能具有共同的起源。 （X射线将来自银河系中受冲击的气体，而不是来自喷流本身。）与合著者一起 埃伦·兹韦贝尔 和 马特乌什·鲁斯科夫斯基，她开始建立一个计算机模型。结果， 发表于 自然天体物理学 去年春天，不仅复制了观察到的气泡的形状和明亮的激波锋面，而且预测它们的形成时间为 2.6 万年（从活跃了 100,000 万年的喷流向外扩展）——速度太快了，无法预测。由恒星反馈解释。
这一发现表明，活动星系核反馈在像银河系这样的普通盘状星系中可能比研究人员过去认为的重要得多。杨说，正在出现的景象类似于一个生态系统，活动星系核和恒星反馈与星系周围弥漫的热气体（称为环星系介质）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。
对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绘制了银河系数百万颗恒星的精确位置和运动图，使天体物理学家能够追溯银河系与较小星系合并的历史。据推测，此类合并事件会通过将物质摇入超大质量黑洞来激活它们，使它们突然变亮，甚至发射喷流。 “关于合并是否重要，该领域存在很大的争论，”夸塔尔特说。盖亚星数据 提示 费米气泡和 eROSITA 气泡形成时银河系并未经历合并，因此不利于合并作为活动星系核喷流的触发因素。
或者，气体团可能恰好与黑洞碰撞并激活它。它可能会在进食、以喷气机和银河风的形式喷出能量以及暂停之间混乱地切换。
事件视界望远镜最近拍摄的人马座 A* 图像揭示了其当前的滴落物质，提出了一个需要解决的新难题。天体物理学家已经知道，并非所有被吸入星系的气体都会到达黑洞视界，因为星系风会向外推动这种吸积流。但解释这种极度锥形流动所需的风力是不现实的。 “当我进行模拟时，我没有看到巨大的风，”纳拉扬说。 “这不是你需要的那种风来完整解释正在发生的事情。”
嵌套模拟
理解星系如何运作的部分挑战是恒星和黑洞的长度尺度与整个星系及其周围环境的尺度之间的巨大差异。当在计算机上模拟物理过程时，研究人员会选择一个尺度并包含该尺度的相关影响。但在星系中，大小效应相互作用。
纳拉扬说：“与大星系相比，黑洞确实很小，你无法将它们全部放在一个巨大的模拟中。” “每个政权都需要对方的信息，但不知道如何建立联系。”
为了尝试弥合这一差距，Narayan、Natarajan 和同事正在启动一个项目，该项目将使用嵌套模拟来构建气体如何流过银河系和附近活跃星系 Messier 87 的连贯模型。星系告诉黑洞该做什么，然后你让来自黑洞的信息返回并告诉星系该做什么，”纳拉扬说。 “这是一个不断循环的循环。”
模拟应该有助于阐明星系内部和周围扩散气体的流动模式。 （詹姆斯·韦伯太空望远镜对环绕银河系介质的进一步观测也将有所帮助。）“这是整个生态系统的关键部分，”夸塔特说。 “如何让气体进入黑洞以驱动所有返回的能量？”
至关重要的是，在新方案中，不同规模的模拟之间的所有输入和输出必须保持一致，从而减少需要调整的情况。纳拉扬说：“如果模拟设置得当，它将自洽地决定有多少气体应该到达黑洞。” “我们可以研究一下并问：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？”该小组希望创建一系列星系演化不同阶段的快照。
目前，关于这些银河生态系统的很多信息仍然是一种预感。 “这确实是一个新时代，人们开始思考这些重叠的场景，”杨说。 “我没有明确的答案，但我希望几年后就能得到。”
编者注：Priya Natarajan 目前在广达科学顾问委员会任职。
