此前研究中，黑洞系統(tǒng)產(chǎn)生的噴流或外流的速度非常接近光速，噴流、外流掃過(guò)的氣體會(huì)被加熱，在其路徑上的氣體會(huì)被驅(qū)散，這些效應(yīng)顯然不利于恒星形成。而Henize 2-10的中心黑洞產(chǎn)生外流的速度非常低，與氣體作用時(shí)也并未顯著加熱氣體，反而其外流通過(guò)壓縮氣體，直接產(chǎn)生了觸發(fā)恒星形成的效應(yīng)。

一直以來(lái)，黑洞都被認(rèn)為是個(gè)“破壞大王”，會(huì)吞噬一切靠近它的物質(zhì)。然而，近日哈勃太空望遠(yuǎn)鏡觀察到矮星系Henize 2-10中的黑洞，與其他已知黑洞的“性情”截然相反，它正在促進(jìn)而非抑制其附近恒星的形成。

這是一個(gè)顛覆性的發(fā)現(xiàn)。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)Henize 2-10的成像和光譜分析清楚地顯示，一股氣體流從黑洞延伸到明亮的恒星誕生區(qū)，如同一條臍帶，讓稠密的云團(tuán)形成恒星。

促進(jìn)恒星形成的黑洞

Henize 2-10位于羅盤(pán)座(南天星座之一)，距離地球約3000萬(wàn)光年，其中包含的恒星數(shù)量只有銀河系的十分之一左右。華中科技大學(xué)物理學(xué)院教授雷衛(wèi)華介紹，銀河系是原始星系不斷生長(zhǎng)、并合的產(chǎn)物，而Henize 2-10雖然經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的宇宙演化，但仍然保留原始形態(tài)，是小尺度星系，可以視作星系的“活化石”。

這樣的矮星系是否也像其他星系那樣，在星系中心存在著一個(gè)超大質(zhì)量黑洞?

“10年前，這個(gè)問(wèn)題還是人們爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。人們認(rèn)為，Henize 2-10星系核心的X射線和射電活動(dòng)可能是中心黑洞吸積氣體所致，也可能來(lái)自年輕的超新星遺跡。”雷衛(wèi)華說(shuō)。

而本次哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果，為矮星系中心是否存在大質(zhì)量黑洞的爭(zhēng)論畫(huà)上了句號(hào)。此次研究揭示了從星系核心延伸到恒星形成區(qū)的雙向外流的特殊結(jié)構(gòu)。通過(guò)譜線多普勒頻移，研究人員可以測(cè)量出不同位置的外流氣體速度，進(jìn)一步顯示外流的進(jìn)動(dòng)。

此前，科學(xué)家在很多活動(dòng)星系核中也觀測(cè)到過(guò)噴流的進(jìn)動(dòng)。理論上，噴流或外流的進(jìn)動(dòng)可能來(lái)自扭曲的黑洞吸積盤(pán)。雷衛(wèi)華認(rèn)為，能觀測(cè)到進(jìn)動(dòng)的外流，就證明Henize 2-10中心必然是黑洞無(wú)疑，不可能來(lái)自超新星遺跡。

同時(shí)，Henize 2-10中心沒(méi)有核球，表明其中心約百萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞在核球形成之前就已存在，這與一般正常星系和活動(dòng)星系的超大質(zhì)量黑洞與其核球一起經(jīng)歷不斷增長(zhǎng)的情況不同。

“Henize 2-10中心的超大質(zhì)量黑洞可能還保持著其嬰兒時(shí)期的模樣，極具研究?jī)r(jià)值，可以借此復(fù)原類(lèi)似銀河系中心超大質(zhì)量黑洞的原始種子信息。”雷衛(wèi)華說(shuō)。

星云若要塌縮形成恒星，必須足夠冷和稠密。在此前的觀測(cè)和理論研究中，通常認(rèn)為從星系中心黑洞產(chǎn)生的噴流或外流在其所經(jīng)之處會(huì)不斷加熱和驅(qū)散氣體，必將抑制恒星形成。對(duì)于矮星系，雖然觀測(cè)到的黑洞活動(dòng)樣本很少，但科學(xué)家仍持相同觀點(diǎn)。

雷衛(wèi)華表示，對(duì)Henize 2-10的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)卻完全相反，其中心黑洞活動(dòng)產(chǎn)生的外流觸發(fā)了恒星形成，這大大出乎科學(xué)家的意料。

與眾不同的黑洞外流

伴隨多波段天文學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家對(duì)星系的研究越來(lái)越深入，逐漸累積的證據(jù)表明：正常星系和活動(dòng)星系中心一般都存在著一個(gè)質(zhì)量為百萬(wàn)倍到百億倍太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。

雷衛(wèi)華介紹，黑洞本身并不發(fā)光，但黑洞的強(qiáng)引力場(chǎng)會(huì)影響周?chē)阈腔驓怏w，如超大質(zhì)量黑洞會(huì)俘獲并撕裂靠近它的恒星，吸食恒星殘骸，質(zhì)量超過(guò)一億倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞則可以直接吞噬恒星或氣體，形成吸積盤(pán)。

黑洞吸積周?chē)鷼怏w物質(zhì)形成吸積盤(pán)。吸積盤(pán)上，相對(duì)中心黑洞不同距離處的物質(zhì)繞轉(zhuǎn)速度不同，這些物質(zhì)通過(guò)較差轉(zhuǎn)動(dòng)(在不同半徑以不同的角速度繞黑洞旋轉(zhuǎn))釋放引力勢(shì)能并加熱氣體形成熱等離子體，熱等離子體會(huì)產(chǎn)生輻射。

雷衛(wèi)華說(shuō)，黑洞除了吸積物質(zhì)，黑洞吸積盤(pán)系統(tǒng)也會(huì)向外拋射等離子體，產(chǎn)生噴流或外流，這些現(xiàn)象在活動(dòng)星系核和微類(lèi)星體中非常普遍。

噴流或外流的形成機(jī)制主要有以下3種：低吸積率吸積盤(pán)無(wú)法有效通過(guò)輻射光子來(lái)冷卻，熾熱的吸積盤(pán)會(huì)向外拋射等離子體形成盤(pán)風(fēng)(外流);如果吸積盤(pán)存在極強(qiáng)有序磁場(chǎng)，盤(pán)上等離子體通過(guò)磁力線向外拋射形成外流或噴流;旋轉(zhuǎn)黑洞可通過(guò)周?chē)行虼艌?chǎng)提取黑洞的轉(zhuǎn)動(dòng)能，以加速周?chē)入x子體形成沿著黑洞兩極方向準(zhǔn)直的噴流。

“Henize 2-10中心黑洞產(chǎn)生外流的機(jī)制可能是其中某一種，具體是上述哪種機(jī)制主導(dǎo)，現(xiàn)在仍然不清楚。”雷衛(wèi)華表示。

此前研究中，黑洞系統(tǒng)產(chǎn)生的噴流或外流的速度非常接近光速，噴流、外流掃過(guò)的氣體會(huì)被加熱，在其路徑上的氣體會(huì)被驅(qū)散，這些效應(yīng)顯然不利于恒星形成。因此，科學(xué)家通常認(rèn)為黑洞噴流、外流會(huì)抑制恒星形成，至少對(duì)活動(dòng)星系而言是如此。

而Henize 2-10作為矮星系，其中心黑洞產(chǎn)生外流的速度非常低，大約每秒幾百公里，相對(duì)光速而言非常慢，與氣體作用時(shí)也并未顯著加熱氣體，反而其外流通過(guò)壓縮氣體，直接產(chǎn)生了觸發(fā)恒星形成的效應(yīng)。基于此，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡觀察到Henize 2-10雙向外流直接延伸至恒星形成區(qū)。

種子黑洞的兩種可能來(lái)源

2019年4月10日，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”合作組公布了人類(lèi)首張黑洞照片，通過(guò)黑洞陰影尺度，測(cè)量出M87這個(gè)距離地球5500萬(wàn)光年巨橢圓星系中心的黑洞質(zhì)量約為65億倍太陽(yáng)質(zhì)量。

華中科技大學(xué)物理學(xué)院教授雷衛(wèi)華介紹，通常認(rèn)為星系中心黑洞與星系應(yīng)該是共同增長(zhǎng)的關(guān)系。但根本問(wèn)題在于，今天看到的星系中心超大質(zhì)量黑洞，是在漫長(zhǎng)的宇宙歷程中通過(guò)種子黑洞不斷并合或吸積物質(zhì)生長(zhǎng)而來(lái)的。

那么，最初的種子黑洞是什么?

目前，主流的種子黑洞模型包括“輕種子”和“重種子”兩種。“輕種子”黑洞來(lái)自恒星演化產(chǎn)物，即第一代恒星，其金屬豐度極低，幾乎全由氫和氦組成，可達(dá)到幾百倍太陽(yáng)質(zhì)量，壽命只有百萬(wàn)年，或坍縮形成100倍太陽(yáng)質(zhì)量左右的黑洞。“重種子”黑洞則來(lái)自原始?xì)怏w或星團(tuán)直接塌縮，可達(dá)幾千到數(shù)十萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量。

雷衛(wèi)華認(rèn)為，通過(guò)Henize 2-10，可以一窺宇宙早期原始星系和種子黑洞活動(dòng)的樣子，幫助科學(xué)家更全面地理解黑洞反饋與星系演化的關(guān)系。

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