宇宙质量的怪物扫清了道路:黑洞帮助恒星诞生

虚拟银河系

虚拟银河系:在TNG50模拟的虚拟宇宙中,一个大质量中心星系群周围的气体密度。星系内部的气体对应着明亮的垂直结构:气体盘。在这个结构的左右两侧是气泡——图像中看起来像圆圈的区域,内部的气体密度明显降低。这种气体的几何形状是由于隐藏在星系中心的超大质量黑洞的作用,它将气体更好地推向垂直于星系气态盘的方向,切割出密度较低的区域。资料来源:TNG Collaboration/Dylan Nelson

这些宇宙质量的庞然大物为卫星星系中新的太阳的形成扫清了道路。

将系统观测与宇宙学模拟相结合的研究发现,令人惊讶的是,黑洞可以帮助某些星系形成新恒星。在星系尺度上,超大质量黑洞对恒星形成的作用以前被认为是破坏性的——活跃的黑洞可以剥夺星系形成新恒星所需的气体。发表在《自然》杂志上的新结果展示了这样一种情况:活跃的黑洞可以为在星系群或星系团内运行的星系“扫清道路”,防止这些星系在穿越周围星系间气体时恒星形成被破坏。

积极的黑洞主要被认为对周围环境产生破坏性的影响。当他们将能量爆炸到他们的主机星系中时,它们会加热并弹出银河系的气体,使星系更难以产生新的恒星。但是现在,研究人员发现相同的活动实际上可以帮助明星形成 - 至少对于轨道星系轨道的卫星星系。

这个与直觉相反的结果来自于一次合作,这次合作是由专门从事大规模计算机模拟的天文学家和观测者在午餐时间进行的对话引发的。因此,它是在大流行条件下变得更加困难的非正式互动的一个很好的例子。

天文观测包括获取遥远星系的光谱——将星系的光分成不同波长的彩虹状分离——可以相当直接地测量该星系形成新恒星的速率。

根据这样的测量,一些星系正在以相当稳定的速度形成恒星。在我们的银河系,每年只有一到两颗新恒星诞生。另一些则经历短暂的过度恒星形成活动,称为“恒星爆发”,每年有数百颗恒星诞生。在另外一些星系中,恒星的形成似乎受到了抑制,或者如天文学家所说的“淬灭”:这些星系实际上已经停止了新恒星的形成。

一种特殊的星系,通常 - 几乎一半的时间 - 发现是处于如此淬火状态,是所谓的卫星星系。这些是组的一部分或星系的簇,它们的质量相对较低,并且它们轨道更加庞大的中央星系类似于卫星轨道地球的方式。

这类星系通常很少形成新恒星,如果有的话。自20世纪70年代以来,天文学家一直怀疑,这可能是与逆风非常相似的原因:星系群和星系团不仅包含星系,而且还包含充满星系间空间的热稀薄气体。

当一个卫星星系以每秒数百公里的速度绕着星系团运行时,稀薄的气体会让它感受到一种“逆风”,就像骑着快速自行车或摩托车的人会感受到的那样。卫星星系的恒星太过紧凑,不会受到即将到来的稳定的星系间气体流的影响。

但卫星星系自身的气体却不是这样:它会被迎面而来的热气体剥离,这个过程被称为“撞击压力剥离”。另一方面,一个快速移动的星系不可能吸收足够数量的星系间气体来补充它的气体库。结果是,这些卫星星系几乎完全失去了它们的气体,同时也失去了形成恒星所需的原料。因此,恒星形成活动将被扑灭。

我们所讨论的过程发生了数百万甚至数十亿年,所以我们不能直接观察它们的发生。但即便如此,天文学家还是有办法了解更多。他们可以利用计算机模拟虚拟宇宙,通过编程来遵循相关的物理定律,并将结果与我们实际观察到的结果进行比较。他们还可以在天文观测提供的宇宙演化的全面“快照”中寻找蛛丝马迹。

Annalisa Pillepich是Max Planck天文学研究所(MPIA)的一团领导者,专门从事这种模拟。Pillepich综合的IllustrySng套件,提供了最详细的虚拟宇宙 - 迄今为止,研究人员可以遵循对较小的鳞片的气体运动。

IllustrisTNG提供了一些卫星星系刚刚被冲力剥离的极端例子:所谓的“水母星系”,它们尾随着气体的残余,就像水母尾随着它们的触角一样。事实上,识别模拟中的所有水母是最近在Zooniverse平台上启动的一个公民科学项目,志愿者可以在该项目中帮助研究这种刚熄灭的星系。

但是,虽然水母星系是相关的,但它们不是目前研究项目的起点。2019年11月的午餐期间,皮莱皮奇向伊格纳西奥Martín-Navarro讲述了她的另一个illustrng结果,伊格纳西奥是一位专门从事观测的天文学家,她在MPIA获得玛丽·居里奖学金。这是一个关于超大质量黑洞影响的结果,这些黑洞超出了宿主星系,进入了星系间空间。

在所有星系的中心都能找到这样的超大质量黑洞。落入这样一个黑洞的物质在落入黑洞本身之前,通常会成为环绕黑洞旋转的所谓吸积盘的一部分。这种落在吸积盘上的过程释放出大量的能量,以辐射的形式释放出来,通常还会以两股快速运动的粒子喷射的形式释放出来,它们会以与吸积盘成直角的角度加速离开黑洞。以这种方式释放能量的超大质量黑洞被称为活动星系核,简称AGN。

虽然IllustrisTNG不够详细,不足以包括黑洞喷流,但它确实包含模拟活动星系核如何向周围气体添加能量的物理术语。模拟显示,能量注入将导致气体外流,气体外流将沿着阻力最小的路径定向:对于类似于我们银河系的盘状星系,垂直于恒星盘;对于所谓的椭圆星系,垂直于星系恒星排列所确定的合适的首选平面。

随着时间的推移,垂直于盘或优选的平面的双极气体流出将到目前为止,影响间歇性环境 - 周围的薄气体。他们会把内术气体推开,每个流出都会产生巨大的泡沫。这是Pillepich和Martín-Navarro的思考:如果卫星星系是通过这种泡沫 - 它会受到流出的影响,它是否会进一步淬火其星形成活动?

Martín-Navarro在他自己的领域里研究了这个问题。他拥有丰富的数据处理经验,这些数据来自迄今为止最大的系统调查之一:斯隆数字天空调查(SDSS),该调查提供了北半球大部分地区的高质量图像。在第十次调查的公开数据中,他检查了3万个星系群和星系团,每个星系团都包含一个中心星系,平均有4个卫星星系。

在对这数千个星系的统计分析中,他发现了一个很小但很明显的差异,卫星星系靠近中央星系喜欢的平面,卫星星系明显在上面和下面。但结果却与研究人员的预期相反:在较薄的气泡内,飞机上方和下方的卫星出现的可能性平均不高,约为5%很可能是他们的恒星形成活动停止了。

有了这个令人惊讶的结果,马丁纳瓦罗回到了安娜莉莎·皮勒皮希,两人在IllustrisTNG模拟的虚拟宇宙中进行了同样的统计分析。毕竟,在这类模拟中,宇宙演化并不是由研究人员“手工”完成的。取而代之的是,该软件包含了尽可能自然地模拟虚拟宇宙的物理规则的规则,其中还包括与大爆炸后不久我们自己的宇宙状态相对应的适当初始条件。

这就是为什么像在这个特殊情况下留下这种情况一样的模拟空间 - 用于重新发现淬火卫星星系的面内,偏离平面分布:虚拟宇宙显示出卫星星系的淬火相同的5%偏差!!显然,研究人员对某事。

最终,Pillepich、Martín-Navarro和他们的同事提出了一个关于猝灭变化背后的物理机制的假设。考虑一个卫星星系穿过一个稀疏的气泡中心黑洞已经吹进周围星系间介质。由于密度较低,该卫星星系的逆风较小,冲压压力较小,因此其气体被剥离的可能性较小。

然后,它归结为统计数据。对于已经多次呈现同一中心星系的卫星星系,横穿气泡,而且介于两者之间,效果将不明显。这种星系很久以前就会失去了气体。

但是对于已经加入了该组织或群集的卫星星系,最近,位置将会有所不同:如果那些卫星碰巧首先落在泡沫中,如果它们发生在泡沫之外的陆地之外,它们就不太可能失去气体。这种效果可以解释淬火卫星星系的统计差异。

凭借SDSS观测和Illustristn模拟的统计分析与机制的合理假设之间的统计分析之间的良好协议,这是一个高度承诺的结果。在Galaxy Evolution的背景下,它特别有趣,因为它间接地确认活性半乳核核的作用不仅加热了白乳液气体,而且积极地“推动它”以产生低密度区域。与所有有前途的结果一样,现在有许多自然方向,即Martín-Navarro,Pillepich及其同事或其他科学家可以进一步探索。

参考资料:伊格纳西奥·马丁纳瓦罗、安娜莉莎·皮勒皮奇、迪伦·纳尔逊、维森特·罗德里格斯·戈麦斯、玛蒂娜·唐纳里、拉尔斯·赫恩奎斯特和沃尔克·斯普林格尔于2021年6月9日撰写的《黑洞活动调制的各向异性卫星星系熄灭》,自然
内政部:10.1038/s41586-021-03545-9

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