弧线背后：最壮丽的“宇宙烟花”

宇宙是一场盛大的烟花秀，从“大爆炸”开始， 138亿年未曾谢幕：流星雨、超新星爆发、星云、中子星碰撞、星系并合、伽马射线暴，还有今天要说的黑洞爆发......而人类只不过是其中的一瞬。

最近，天 学家在离地球3 .9亿光年外的蛇夫座星系团中，发现了刷新宇宙记录的最强黑洞爆发活动，爆发的能量相当于400亿个太阳终其一生（约100亿年）释放的全部能量，爆发后气体遗迹直径达约 150万光年，可以联排摆入 15个银河系 ……堪称是一场最壮丽的“宇宙烟花”[1] 。而对这一惊天秘密的发现竟是靠一道弧线！

蛇夫座星系团中观测到的宇宙最强爆发：X射线（粉色）、射电（蓝色）和近红外（白色） | 图源X-ray: Chandra: NASA/CXC/NRL/S. Giacintucci, et al., XMM-Newton: ESA/XMM-Newton; Radio: NCRA/TIFR/GMRT; Infrared: 2MASS/UMass/IPAC-Caltech/NASA/NSF

▍星系团中的气体循环

宇宙大爆炸之后，物质开始冷却下来，一些气体密度大的地方开始发生塌缩，最终形成恒星、星系、星系群、星系团和超星系团等。星系团是由成百上千个星系“岛屿”组成的“群岛”， 质量可达太阳的百万亿倍到亿亿倍，是宇宙中巨大的引力中心。星系团中心通常会有一个中心是超大质量黑洞的大星系。

星系团中的气体是不断地冷却又被加热的，就像地球上的水循环过程：蒸发、输送、降水、径流、再蒸发，循环往复。物质聚集过程中释放出的巨大引力势能，会将星系团中星系周围和星系之间的气体加热到很高的温度，辐射出X射线，这就是 X射线望远镜所拍到的星系团气体晕。老的观点认为，这些被加热的流入气体会缓慢地冷却，并成为恒星形成和星系增长的燃料。

后来，科学家们发现被加热后流入气体的冷却时标太长了，无法解释一些宇宙较早期星系中的高恒星形成率。于是提出了一种“ 冷流模型”，让冷气体直接流入星系和星系团：星系团中心往往由于向外发出明亮的 X射线辐射，气体温度随之降低；在中心星系引力的作用下，气体进一步向中心聚集，于是中心气体密度随之增加，辐射进一步加强，这更促进了气体的冷却过程，形成正反馈，星系团中心的气体很快冷却下来。

但是X 射线观测却发现气体冷却的速度远没有模型预测的快，说明星系团中肯定发生着某种加热机制，阻止气体的冷却[2] 。现在许多的证据表明，这个加热的机制主要就是星系团中心星系的超大质量（100万至100亿倍太阳质量）黑洞的爆发[3] 。

▍黑洞爆发

这些黑洞会吞食周围气体形成一个吸积盘，气体在绕转黑洞的过程中逐渐掉入黑洞，同时释放出巨大引力势能，把气体加热到非常高的温度，发出紫外甚至X射线波段的辐射。一些吸积盘还会产生出一对高度准直的喷流，速度甚至接近光速！巨大的能量将星系际气体吹开，形成空腔或气泡状结构，像宇宙中绽放的“烟花”。

星系团MS 0735+74 中的“宇宙烟花”：X射线（红色）、光学（黄白色）、射电（蓝色）| 图源：（左）X-ray: NASA/CXC/Univ. Waterloo/B.McNamara; Optical: NASA/ESA/STScI/Univ. Waterloo/B.McNamara; Radio: NRAO/Ohio Univ./L.Birzan et al. ；（右）Pinterest

▍ 蛇夫座星系团

3.9亿光年外的蛇夫座星系团（Ophiuchus Cluster ）身处视线方向被银道面遮蔽的所谓“隐带” （Zone ofAvoidance ），而且很靠近银河系中心方向，因此，它在光学波段很低调，但毕竟是上千个星系的大星系团，它在X 射线天空中却咖位极高，流量排名仅次于英仙座星系团。

近邻宇宙中的大尺度结构，蛇夫座星系团（Ophiuchus Cluster ）位于图中银河系中心的上方。| 图源: "Large Scale Structure in the Local Universe: The 2MASS Galaxy Catalog", Jarrett, T.H. 2004, PASA, 21, 396; image made at IPAC/Caltech, by Thomas Jarrett.

▍ 一道弧线背后的惊天秘密

蛇夫座星系团的多波段复合图像：X射线（粉色）、射电（蓝色）和近红外（白色）。右下角放大的X射线波段图像，弧形结构明显可见，是喷流形成的“气泡”的边界。| 图源 X-ray: Chandra: NASA/CXC/NRL/S. Giacintucci, et al., XMM-Newton: ESA/XMM-Newton; Radio: NCRA/TIFR/GMRT; Infrared: 2MASS/UMass/IPAC-Caltech/NASA/NSF

2016 年，Chandra X射线卫星观测的蛇夫座星系团X射线图像中呈现出一段不同寻常的弧形边界结构[4] 。科学家们立即联想到，这很可能是超大质量黑洞爆发时喷流形成的气泡边界的一截。但遗憾的是，他们很快又抛弃了这个想法。因为根据气体交界面的压强和“气泡”的体积估算出这次爆发活动产生的能量和规模 实在是太巨大了，达到了5 ×10 54 焦耳，相当于400亿个太阳终其一生（约100亿年）所释放的总能量，是前宇宙纪录保持者MS0735.6+7421的5倍。宇宙中之前从未观测到过如此强烈的爆发现象。这太难以置信了！

时隔四年，研究人员终于自信满满地揭开了那道弧线背后的惊天秘密，这次多了来自澳大利亚MWA 和印度GMRT两台射电望远镜的关键证据：X 射线图像中看到的弧形结构和射电波段看到的边界轮廓完美贴合，其中充满了高能电子所形成的射电辐射。这些高能电子是黑洞爆发产生的喷流带出的，而射电波段观测到的正是黑洞爆发后的遗迹。影响范围直径约150 万光年，可以联排摆入15个银河系！

另外，还发现星系团中心的冷气体和星系团的中心星系的位置有一定的偏移，很可能就是被这次超大规模的黑洞爆发所“吹”开造成的，其能量之强也可见一斑。

▍ 待解之谜

◎黑洞爆发通常会在两侧留下遗迹（如MS 0735.6+7421 ），但在这次的爆发中，我们却只能观测到一侧单独的爆发遗迹。另一侧的爆发遗迹去哪了呢？

目前的猜测：一是由于另一侧X射线气体比较稀薄，二是由于爆发活动发生的时间比较久，所以另一侧的射电辐射逐渐减弱看不到了。根据“气泡”的体积和膨胀速度估算，黑洞爆发于遗迹形成的 24万年前。同时，由于喷流吹开了周围的气体，黑洞无法吸积更多的气体，因而爆发活动也早已停止，喷流气体也早已消散，所以目前也就看不见喷流的结构了。

◎ 因为没有观测到喷流，所以很难判断这个超大质量黑洞的位置，从而带来了新的争论：黑洞爆发是否发生在星系团中心星系呢？

如果是，星系团中心的冷气体在经历这次爆发后未被破坏，这和“冷流模型”不符，因为冷流模型预言黑洞爆发会终止和破坏气体的冷却。或许喷流直接穿过了中心的冷气体区域，到达冷气体的外围之后才发生膨胀。但这样还是难以解释中心冷气体相对于中心星系的位置偏移的问题。

如果否，那么由于热气体径向密度的不同，在气体稀薄的一侧，射电喷流吹出的气泡会更快地消散。这便很好地解释了为什么只看到了单侧的射电气泡遗迹。同时也解释了爆发后星系团中心冷气体得以保留以及与中心星系位置的偏移等现象。

值得注意的是，由于这次射电观测看到的喷流遗迹处于星系团热气体的外围，这里X射线辐射较弱，所以，单从 X射线观测看，像蛇夫座星系团中这种隐藏着惊天大秘密的结构是很容易被忽略掉的。这次的发现体现了多波段观测的重要意义。随着 MWA射电望远镜的扩展升级和探测灵敏度的不断提高，我们期待会发现更多这样的射电喷流遗迹，帮助解锁星系团的物质反馈循环过程之谜。

参考资料：

[1] Giacintucci S., et al., 2020, ApJ, 891, 1

[2] Fabian A. C., 1994, ARA&A, 32, 277

[3] McNamara B. R., et al., 2000, ApJ, 534, L135

[4] Werner N., et al., 2016, MNRAS, 460, 2752

作者简介

耿超， 中国科学院紫金山天 台 博士研究生，研究方向：高能天体物理（X射线天 ，星系团）。

撰稿：耿超

轮值主编：杜福君

编辑：王科超、高娜