精選！研究發(fā)現(xiàn)X形射電星系的形成可能比預(yù)期的更簡單

盡管這些神秘的X形射電星系二十年來一直困惑著天體物理學(xué)家，但一項(xiàng)新研究揭示了它們是如何形成的--并且出奇得簡單。另外，根據(jù)這項(xiàng)研究，X型射電星系可能比以前認(rèn)為的更常見。

(資料圖片僅供參考)

西北大學(xué)的這項(xiàng)研究于當(dāng)?shù)貢r(shí)間8月29日發(fā)表在《Astrophysical Journal Letters》上。它代表了第一個(gè)大規(guī)模的星系吸積模擬從而跟蹤遠(yuǎn)離超大質(zhì)量黑洞的星系氣體一直向它移動(dòng)。

簡單的條件導(dǎo)致了混亂的結(jié)果

西北大學(xué)的天體物理學(xué)家在實(shí)施了簡單條件的情況下用新模擬模擬出了一個(gè)超大質(zhì)量黑洞的進(jìn)食及其噴射器和吸積盤的有機(jī)形成。當(dāng)科學(xué)家們運(yùn)行模擬時(shí)，簡單的條件有機(jī)地、出乎意料地引發(fā)了一個(gè)X形射電星系的形成。

令人驚訝的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，該星系特有的X形是由噴流和落入黑洞的氣體之間的相互作用造成。在模擬的早期，落入的氣體使新形成的噴流發(fā)生偏轉(zhuǎn)，噴流開啟和關(guān)閉，無規(guī)律地?fù)u擺，然后在不同的方向上對(duì)空腔進(jìn)行充氣以類似于一個(gè)X形。不過最終，噴射器變得足夠強(qiáng)大，可以穿過氣體。在這一點(diǎn)上，射流穩(wěn)定下來，停止擺動(dòng)，并沿單一軸線傳播。

“我們發(fā)現(xiàn)，即使有簡單的對(duì)稱初始條件，你也會(huì)有相當(dāng)混亂的結(jié)果，”負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的西北大學(xué)的Aretaios Lalakos說道，“對(duì)X形射電星系的一個(gè)流行的解釋是，兩個(gè)星系相撞，導(dǎo)致它們的超大質(zhì)量黑洞合并，這改變了殘余黑洞的旋轉(zhuǎn)和射流的方向。另一個(gè)想法是，噴流的形狀被改變了，因?yàn)樗粋€(gè)孤立的超大質(zhì)量黑洞的大規(guī)模氣體相互作用。現(xiàn)在，我們首次揭示了X形射電星系事實(shí)上可以以一種更簡單的方式形成。”

Lalakos是西北大學(xué)溫伯格文理學(xué)院的一名研究生，也是天體物理學(xué)跨學(xué)科探索與研究中心(CIERA)的成員。他的共同導(dǎo)師是論文的共同作者Sasha Tchekhovskoy，他是西北大學(xué)物理學(xué)和天文學(xué)的助理教授也是CIERA的主要成員，還有Ore Gottlieb，他是CIERA的博士后研究員。

一個(gè)意外的X形射電星系

射電星系發(fā)出可見光，它們還包含了大面積的射電發(fā)射區(qū)域。M87可能是最著名的射電星系。它是宇宙中質(zhì)量最大的星系之一，2019年，當(dāng)事件地平線望遠(yuǎn)鏡對(duì)其中央超大質(zhì)量黑洞進(jìn)行成像時(shí)，這一點(diǎn)被進(jìn)一步普及。X型射電星系最早是在1992年提出的，在所有射電星系中占不到10%。

當(dāng)Lalakos著手建立黑洞模型時(shí)，他并不期望模擬出一個(gè)X型星系。相反，他的目標(biāo)是測量一個(gè)黑洞所吞噬的質(zhì)量量。他在模擬中輸入了簡單的天文條件并讓它運(yùn)行。Lalakos最初并沒有認(rèn)識(shí)到新出現(xiàn)的X形的重要性，但Tchekhovskoy的反應(yīng)是熱情洋溢的。

“他說道，‘伙計(jì)，這非常重要！這是一個(gè)X形！’”Lalakos說道，“他告訴我，天文學(xué)家們?cè)诂F(xiàn)實(shí)生活中觀察到了這一點(diǎn)，但不知道它們是如何形成的。我們以一種以前甚至沒有人猜測過的方式創(chuàng)造了它。”

在以前的模擬中，其他天體物理學(xué)家曾試圖人為地創(chuàng)造X形結(jié)構(gòu)以研究它們是如何產(chǎn)生的。但Lalakos的模擬有機(jī)地導(dǎo)致了X形的出現(xiàn)。

“在我的模擬中，我試圖什么都不假設(shè)。通常情況下，研究人員將一個(gè)黑洞放在模擬網(wǎng)格的中間并在其周圍放置一個(gè)大型的、已經(jīng)形成的氣態(tài)盤，然后他們可能在氣態(tài)盤外添加環(huán)境氣體。在這項(xiàng)研究中，模擬開始時(shí)沒有圓盤，但隨著旋轉(zhuǎn)的氣體越來越接近黑洞，很快就形成了一個(gè)圓盤。然后這個(gè)圓盤為黑洞提供能量并產(chǎn)生噴射。我做了盡可能簡單的假設(shè)，所以整個(gè)結(jié)果是一個(gè)驚喜。這是第一次有人從非常簡單的初始條件的模擬中看到X形形態(tài)，”Lalakos介紹道。

“沒有足夠的運(yùn)氣看到它們”

由于X形只是在模擬的早期出現(xiàn)--直到噴流加強(qiáng)和穩(wěn)定--Lalakos認(rèn)為X型射電星系在宇宙中出現(xiàn)的頻率可能比以前認(rèn)為的要高，但持續(xù)的時(shí)間非常短。

他說道：“它們可能在每次黑洞獲得新氣體并再次開始進(jìn)食時(shí)出現(xiàn)。因此，它們可能經(jīng)常發(fā)生，但我們可能沒有足夠的運(yùn)氣看到它們，因?yàn)樗鼈冎话l(fā)生在噴氣的力量太弱且無法推開氣體的時(shí)候。”

接下來，Lalakos計(jì)劃繼續(xù)運(yùn)行模擬以更好地了解這些X形是如何產(chǎn)生的。他期待著對(duì)中心黑洞的吸積盤和旋轉(zhuǎn)的大小進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在其他模擬中，Lalakos包括了幾乎不存在的吸積盤，一直到極其巨大的吸積盤--都沒有導(dǎo)致難以捉摸的X形的出現(xiàn)。

Lalakos說道：“對(duì)于宇宙的大部分來說，不可能在中心位置放大并看到在黑洞附近發(fā)生了什么。而且即使是我們可以觀察到的東西，我們也受到時(shí)間的限制。如果超大質(zhì)量黑洞已經(jīng)形成我們就不能觀察它的演變，因?yàn)槿祟惖膲勖塘恕Ｔ诖蠖鄶?shù)情況下，我們依靠模擬來了解黑洞附近發(fā)生的事情。”