天文台快遞 | 黑洞的「零食」

科技 04-20

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不同於銀河系中心的超大質量黑洞，有一類超大質量黑洞仍然在大量吞噬著周圍的物質，隱藏它們於中心的星系被稱為活動星系，而它們自己被稱為活動星系核（Active Galactic Nuclei; AGN）。活動星系核發出光學輻射的區域小至幾光天（與之相比，普通星系的尺度約幾十萬光年），但光度卻甚於普通星系十至幾十萬倍。活動星系核的燃料供給是活動星系核研究中尚未解決的重要問題。對它的研究既可以幫助人們認識黑洞的吸積和質量增長過程，同時對於人們了解黑洞與其寄主星系的共同演化過程也具有重要的意義。

供黑洞吞噬的物質是如何來到星系中心呢？理論研究認為，星系中的各種恆星結構（如恆星棒，旋臂，核棒，核旋臂等）可以導致氣體向星系中心的內流，從而為低光度活動星系核中的核活動提供燃料。然而，由於缺乏空間分辨的數據，在研究工作中一直缺乏直接的觀測證據。

近日，上海天文台博士研究生羅榮欣在郝蕾研究員的指導下，利用VENGA (VIRUS-P Exploration of Nearby Galaxies) 巡天的積分視場光譜數據對近鄰低光度活動星系核NGC 1042中核活動的燃料供給機制進行了系統性研究，他們發現NGC 1042中的內部旋臂可以導致電離氣體的徑向內流，從而為核活動提供燃料。這一結果表明，在無恆星棒的晚型星系中，旋臂所導致的氣體內流現象在該類星系的長期演化中具有一定作用。目前該工作已經被國際核心期刊《天體物理學報》接收發表。

據郝蕾研究員介紹，積分視場光譜(Integral Field Spectroscopy，簡稱IFS)是近年來快速發展的新型天文觀測技術。這是一種兼顧成像和光譜優勢的觀測手段，其最大的特點在於能夠同時獲取星系中不同空間位置處的光譜，從而提供豐富的空間分辨信息。VENGA是一個國際合作的積分視場光譜巡天項目，其觀測目標為30個近鄰的漩渦星系，其中包括17個活動星系核。目前該巡天已完成了觀測及數據處理，共獲得上述星系約55000個區域的光譜。近年來，郝蕾研究員領導的星系與活動星系核課題組一直積极參与VENGA巡天的觀測，數據處理及科學分析工作。

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NGC 1042

「近鄰活動星系核中的燃料供給機制是我感興趣的，我希望通過積分視場光譜的數據來研究星系中氣體的分布，電離及運動學特性，從而幫助人們理解各種恆星結構是如何將氣體轉移到星系中央，並為核活動提供燃料的。」文章的第一作者羅榮欣說。

那為什麼選擇NGC 1042呢？羅榮欣表示，它是一個約1400萬光年之外的低光度活動星系核，位於鯨魚座天區內，其中央潛伏著一個300萬倍太陽質量的黑洞，星系中央與黑洞共存的還有大質量的恆星團，而且核恆星團中不乏年輕恆星。這些性質使得NGC 1042成為研究低質量端黑洞質量增長過程的理想實驗室。

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圖1 左圖：NGC 1042的r波段圖像，綠色方框表示VENGA巡天的觀測區域。右上圖：NGC 1042 中央500 pc x 500 pc區域內的[NII]/Hα發射線流量比圖。右下圖：NGC 1042 中央500 pc x 500 pc區域內的電離氣體速度場。圖中，黑色的橢圓分別表示距離星系中心100 pc，200 pc，300 pc，和500 pc。黑色的小圓圈標示了我們發現的電離氣體環狀結構。黑色的虛線和實線分別表示NGC 1042的運動學主軸和副軸。

「在星系中央500 pc x 500 pc（1pc相當於3.26光年）的區域內，我們發現了一個環狀的電離氣體結構。該結構從距離星系中心100 pc處延伸至300 pc處，並顯示出特別的激發特徵。」羅榮欣說。

「通過分析該環狀結構中電離氣體的運動學特性，我們發現是星系的內部的旋臂導致了氣體的徑向內流，每年向內轉移的物質質量是黑洞每年吞噬物質的100倍，比核恆星團每年形成恆星的質量略大。」羅榮欣進一步說明，「這些研究結果表明，對於NGC 1042這個臨近的活動星系核，旋臂所導致的氣體內流能夠為核活動及核恆星團中的恆星形成提供燃料。」

郝蕾研究員說，「由於NGC 1042是一個沒有棒的旋渦星系，我們的結果也一定程度上表明了，在無恆星棒的晚型星系中，旋臂所導致的氣體內流現象在該類星系的長期演化中具有一定作用。在接下來的工作中，我們將通過更多樣本的觀測來進一步研究這一機制。」

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