500萬年前，NGC 4945（位於半人馬座的一個螺旋星系）的中心黑洞爆發時，巨大的冷瓦斯雲被爆炸穿透了螺旋星系。(主)插圖展示了一次黑洞爆發(頂部插圖)；XMM-Newton用X射線看到的NGC 4945(底部插圖)在可見光下的同一個星系
(圖片來源:NASA/JPL-Caltech/Weaver et al. 2024, ESA/XMM-Newton)
美國國家航空暨太空總署的科學家們觀察到一個驚人的宇宙化石，它是在500多萬年前一個超大品質黑洞爆發時形成的。
美國國家航空暨太空總署戈達德太空飛行中心的團隊利用X射線多鏡任務（XMM-Newton）太空望遠鏡，在NASA的錢德勒X射線天文台的協助下，發現了一種X射線，它勾勒出了相對接近的螺旋星系NGC 4945中的冷瓦斯雲輪廓，該星系位於距我們1300萬光年之外的半人馬座。
當這些瓦斯從中心黑洞周圍爆炸時，似乎撕裂了整個星系。這個黑洞的品質相當於大約160萬個太陽，目前以其周圍的物質為食，為被稱為活動星系核(AGN)的明亮星系引擎提供動力。
這些由超大品質黑洞排列的瓦斯是塌縮形成恒星的原料。因此，這些發現可以幫助科學家更好地理解超大品質黑洞是如何影響周圍環境並引導星系演化的，這些超大品質黑洞的品質可以增長到太陽的數十億倍。
「科學界一直在爭論星系是如何演化的。我們在幾乎所有銀河系大小的星系的中心都發現了超大品質黑洞，一個懸而未決的問題是，與恒星形成的影響相比，它們的影響有多大，」戈達德天體物理學家和團隊負責人金伯利·薇佛在一份聲明中說，「研究像NGC 4945這樣的近鄰星系，我們認為我們正在觀察一個過渡期，這有助於我們建立更好的模型，了解恒星和黑洞如何產生星系變化。」
一個孕育恒星的活躍星系
雖然大多數星系的中心都有一個超大品質黑洞，但並非所有的這些宇宙巨獸都在吸積物質，它們的重力影響也並不都會攪動周圍的物質，從而產生AGN所需的劇烈條件。
像NGC 4945這樣擁有AGNs的星系被稱為「活躍星系」，它的亮度通常能超過整個星系中所有恒星的總和。但有時，這些活躍星系中心的甜甜圈形狀或「圓環」形狀的厚塵埃密度足夠大，至少可以遮擋住從AGN發出的部份光線，使其對外部觀察者不可見。
由歐洲南方天文台2.2公尺望遠鏡拍攝到的NGC 4945星系，圖中可見粉色的新星形成區域，以及其中心被塵埃遮蔽的活動星系核（AGN）（圖片來源：ESO）
是否擁有一個由超大品質黑洞驅動的活動星系核（AGN）並不是將NGC 4945與銀河系等其他更為穩定的星系區分開的唯一因素。這個鄰近的螺旋星系還被歸類為「星暴星系」，這意味著它正在經歷一次劇烈的恒星形成爆發。
據估計，NGC 4945每年形成類太陽恒星的數量為18顆，是銀河系恒星形成速度的三倍。這種恒星誕生主要集中在該星系的中心地帶，並將一直持續到恒星誕生的原材料—冷卻且密集的瓦斯雲耗盡為止。這個過程預計需要1000萬到1億年。
在NGC 4945中發現了位置錯誤的宇宙化石
透過歐洲航天局(ESA)的XMM-Newton望遠鏡觀察NGC 4945，薇佛和其團隊發現了一個被稱為鐵K-alpha線的特征，當來自中央超大品質黑洞盤周圍物質的高能X射線擊中星系其他地方的冷瓦斯時，就會出現這種現象。
鐵線通常出現在具有AGN的星系中，但這次觀測讓團隊感到意外，因為它距離中心黑洞的距離並不像他們預期的那樣近，也不符合現有理論所預測的位置。
由於NGC 4945從地球的視角看是邊緣對齊的，這意味著美國國家航空暨太空總署的科學家能夠在銀河系平面上追蹤到32000光年外的鐵線，以及在傾斜星系上追蹤到16000光年外的鐵線。
錢德樂已經在其他星系中繪制了鐵K-alpha線。在這個星系中，它幫助我們研究了雲中單個明亮的X射線源，幫助我們排除了黑洞之外其他可能的來源，」戈達德大學的團隊成員、博士後研究員詹娜·卡恩說。「但是NGC 4945的線從它的中心延伸得很遠，我們需要XMM-Newton的寬視野才能看到它的全部。」
（左圖）使用XMM-Newton觀測到的NGC 4945中可見的鐵K-alpha線。
（右圖）過濾掉包括來自活動星系核的X射線在內的其他源後，鐵的訊號仍然存在，顯示了冷瓦斯的位置（影像來源：Weaver等人，2024年，ESA/XMM-Newton）。
研究團隊認為，造成這一特殊現象的原因是500萬年前從NGC 4945的超大品質黑洞中爆發的粒子噴流。他們認為這股噴流可能是定向的，所以它在銀河系中爆炸，而不是從星系平面逃逸。
這次噴流引發了一股超強的風，正如我們今天看到的那樣，它仍然在NGC 4945中吹拂，它也可能引發了該星系的強烈星爆期。
研究團隊現在將繼續觀察NGC 4945，並尋找其他線索，展示中心黑洞如何影響星系的演化。他們還將研究來自中心區域的X射線是否能夠驅散冷瓦斯，最終結束劇烈的恒星形成，並結束NGC 4945的星暴階段。
「有大量的證據表明，黑洞在某些星系的恒星形成歷史和它們的最終命運方面扮演著重要角色，」團隊成員、戈達德天體物理學家艾德蒙·霍奇斯-克拉克說。「我們研究了許多像NGC 4945這樣的星系，因為盡管從一個個黑洞來看物理過程幾乎相同，但它們對各自星系的影響卻大相徑庭。
「XMM-Newton幫助我們發現了一個我們原本不知道要尋找的星系化石——但這很可能只是眾多化石中的第一個。」霍奇斯-克拉克繼續說道。
薇佛在路易士安那州紐奧良舉行的美國天文學會第243屆會議上展示了團隊的發現，時間是1月11日星期三。
BY:Robert Lea
FY:徐怡璇
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