500万年前，NGC 4945（位于半人马座的一个螺旋星系）的中心黑洞爆发时，巨大的冷气体云被爆炸穿透了螺旋星系。(主)插图展示了一次黑洞爆发(顶部插图)；XMM-Newton用X射线看到的NGC 4945(底部插图)在可见光下的同一个星系
(图片来源:NASA/JPL-Caltech/Weaver et al. 2024, ESA/XMM-Newton)
美国宇航局的科学家们观察到一个惊人的宇宙化石，它是在500多万年前一个超大质量黑洞爆发时形成的。
美国宇航局戈达德太空飞行中心的团队利用X射线多镜任务（XMM-Newton）太空望远镜，在NASA的钱德勒X射线天文台的协助下，发现了一种X射线，它勾勒出了相对接近的螺旋星系NGC 4945中的冷气体云轮廓，该星系位于距我们1300万光年之外的半人马座。
当这些气体从中心黑洞周围爆炸时，似乎撕裂了整个星系。这个黑洞的质量相当于大约160万个太阳，目前以其周围的物质为食，为被称为活动星系核(AGN)的明亮星系引擎提供动力。
这些由超大质量黑洞排列的气体是坍缩形成恒星的原料。因此，这些发现可以帮助科学家更好地理解超大质量黑洞是如何影响周围环境并引导星系演化的，这些超大质量黑洞的质量可以增长到太阳的数十亿倍。
「科学界一直在争论星系是如何演化的。我们在几乎所有银河系大小的星系的中心都发现了超大质量黑洞，一个悬而未决的问题是，与恒星形成的影响相比，它们的影响有多大，」戈达德天体物理学家和团队负责人金伯利·韦弗在一份声明中说，「研究像NGC 4945这样的近邻星系，我们认为我们正在观察一个过渡期，这有助于我们建立更好的模型，了解恒星和黑洞如何产生星系变化。」
一个孕育恒星的活跃星系
虽然大多数星系的中心都有一个超大质量黑洞，但并非所有的这些宇宙巨兽都在吸积物质，它们的引力影响也并不都会搅动周围的物质，从而产生AGN所需的剧烈条件。
像NGC 4945这样拥有AGNs的星系被称为「活跃星系」，它的亮度通常能超过整个星系中所有恒星的总和。但有时，这些活跃星系中心的甜甜圈形状或「圆环」形状的厚尘埃密度足够大，至少可以遮挡住从AGN发出的部分光线，使其对外部观察者不可见。
由欧洲南方天文台2.2米望远镜拍摄到的NGC 4945星系，图中可见粉色的新星形成区域，以及其中心被尘埃遮蔽的活动星系核（AGN）（图片来源：ESO）
是否拥有一个由超大质量黑洞驱动的活动星系核（AGN）并不是将NGC 4945与银河系等其他更为稳定的星系区分开的唯一因素。这个邻近的螺旋星系还被归类为「星暴星系」，这意味着它正在经历一次剧烈的恒星形成爆发。
据估计，NGC 4945每年形成类太阳恒星的数量为18颗，是银河系恒星形成速度的三倍。这种恒星诞生主要集中在该星系的中心地带，并将一直持续到恒星诞生的原材料—冷却且密集的气体云耗尽为止。这个过程预计需要1000万到1亿年。
在NGC 4945中发现了位置错误的宇宙化石
通过欧洲航天局(ESA)的XMM-Newton望远镜观察NGC 4945，韦弗和其团队发现了一个被称为铁K-alpha线的特征，当来自中央超大质量黑洞盘周围物质的高能X射线击中星系其他地方的冷气体时，就会出现这种现象。
铁线通常出现在具有AGN的星系中，但这次观测让团队感到意外，因为它距离中心黑洞的距离并不像他们预期的那样近，也不符合现有理论所预测的位置。
由于NGC 4945从地球的视角看是边缘对齐的，这意味着美国宇航局的科学家能够在银河系平面上追踪到32000光年外的铁线，以及在倾斜星系上追踪到16000光年外的铁线。
钱德乐已经在其他星系中绘制了铁K-alpha线。在这个星系中，它帮助我们研究了云中单个明亮的X射线源，帮助我们排除了黑洞之外其他可能的来源，」戈达德大学的团队成员、博士后研究员詹娜·卡恩说。「但是NGC 4945的线从它的中心延伸得很远，我们需要XMM-Newton的宽视野才能看到它的全部。」
（左图）使用XMM-Newton观测到的NGC 4945中可见的铁K-alpha线。
（右图）过滤掉包括来自活动星系核的X射线在内的其他源后，铁的信号仍然存在，显示了冷气体的位置（图像来源：Weaver等人，2024年，ESA/XMM-Newton）。
研究团队认为，造成这一特殊现象的原因是500万年前从NGC 4945的超大质量黑洞中爆发的粒子喷流。他们认为这股喷流可能是定向的，所以它在银河系中爆炸，而不是从星系平面逃逸。
这次喷流引发了一股超强的风，正如我们今天看到的那样，它仍然在NGC 4945中吹拂，它也可能引发了该星系的强烈星爆期。
研究团队现在将继续观察NGC 4945，并寻找其他线索，展示中心黑洞如何影响星系的演化。他们还将研究来自中心区域的X射线是否能够驱散冷气体，最终结束剧烈的恒星形成，并结束NGC 4945的星暴阶段。
「有大量的证据表明，黑洞在某些星系的恒星形成历史和它们的最终命运方面扮演着重要角色，」团队成员、戈达德天体物理学家埃德蒙·霍奇斯-克拉克说。「我们研究了许多像NGC 4945这样的星系，因为尽管从一个个黑洞来看物理过程几乎相同，但它们对各自星系的影响却大相径庭。
「XMM-Newton帮助我们发现了一个我们原本不知道要寻找的星系化石——但这很可能只是众多化石中的第一个。」霍奇斯-克拉克继续说道。
韦弗在路易斯安那州新奥尔良举行的美国天文学会第243届会议上展示了团队的发现，时间是1月11日星期三。
BY:Robert Lea
FY:徐怡璇
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