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2018
02-02

黑洞如何突破星系


一个模拟的 强大的喷气机 生成超大质量黑洞 在最大的星系中心解释了为什么有些爆发为明亮的灯塔可见整个宇宙,而其他人分崩离析,永远不会刺穿的光环星系。由加州大学物理学家 Alexander Tchekhovskoy 领导的一个研究小组在今天发表的一篇新论文中发表了他们的结果 皇家天文学会每月通告

图片提供:NRAO / AUI / NSF; Dana Berry / SkyWorks

约有10%的活动核的星系被认为在中心凸起内有超大质量的黑洞,观察到核心有相反方向喷出的气体射流。热电离气体由旋转黑洞的扭转磁场驱动,可以达到几十亿太阳。

一个40岁的难题是为什么有些飞机是沉重的,冲出星系到星系之间的空间,而另一些是狭窄的,经常在到达银河的边缘之前失败。答案可以阐明星系及其中心黑洞是如何演变的,因为流失的射流被认为是使星系摇摆,缓慢形成星体,同时也减缓了进入黑洞的气体的入侵。这个模型还可以帮助天文学家了解其他类型的射流,例如由个别恒星产生的射流,我们将其视为伽马射线爆发或脉冲星。美国宇航局爱因斯坦博士后和理论天体物理学家Tchekhovskoy说:“鉴于在模拟中重现稳定的射流是相当容易的,对于解释导致射流崩溃的原因,这是一个极端的挑战。” 加州大学伯克利分校 ,谁领导的项目。 “为了解释为什么有些飞机是不稳定的,研究人员不得不求助于诸如喷气式飞机上的红色巨星这样的装置,用太多的气体装载射流,使其变得沉重而不稳定,从而导致喷气式飞机失灵”

考虑到产生这些射流的磁场,Tchekhovskoy和同事Omer Bromberg,一个小型的Lyman Spitzer博士后,在 普林斯顿大学 发现射流中的磁性不稳定性决定了他们的命运。如果射流强度不足以穿透周围的气体,则射流会变窄且呈现准直状态,易形成扭曲和断裂的形状。当发生这种情况时,热电离的气体通过磁场进入星系,膨胀一个热气泡,通常加热星系。

但是,强大的喷气机更宽,能够穿透周围的气体进入星际介质。决定性因素是射流的功率以及气体密度随着距离而下降的速度,通常取决于星系核的质量和半径。

模拟与观测结果一致,解释了1974年由南非的Bernie Fanaroff和英国的Julia Riley首先指出的Fanaroff-Riley形态二分法。

“我们已经展示了一架喷气式飞机可以在没有任何外部干扰的情况下散架,只是因为喷气式飞机的物理特性,“Tchekhovskoy说。
在这些巨大的星系膨胀的中心超大质量的黑洞就像一个棘齿的橄榄球通过这个洞周围的轴旋转,他补充道。如果你把一串意大利面条穿过孔,代表一个磁场,那么转动的橄榄将像春天一样卷起意大利面条。旋转,盘绕的磁场就像一个试图渗透周围气体的柔性钻孔。

仅基于与电离气体粒子的磁场相互作用的模拟显示,如果射流强度不足以在周围的气体中打孔,则磁力钻弯曲,并且由于磁扭结不稳定性而断裂。这种类型的射流的例子可以在M87星系中看到,它是距离地球约5000万光年距离最近的这种射流之一,有一个中心黑洞,等于 约60亿个太阳。他说:“如果我要跳上一架喷气式飞机,飞行起来,我会看到喷气式飞机开始摆动,因为磁场扭曲不稳定。” “如果这种摆动的速度比气体到达尖端的速度还要快,那么喷气式飞机就会分崩离析。如果不稳定性增长速度比从基地到喷气机顶端的气体要慢,那么喷气机将保持稳定。“

位于离地球约6亿光年的银河天鹅座A中的喷气式飞机是强大的喷气机冲入星系间空间的一个例子。

Tchekhovskoy认为,不稳定的射流有助于所谓的黑洞反馈,也就是黑洞周围物质的反应,这种反应往往会减缓气体的摄入量,从而减缓其增长速度。不稳定的射流在星系内沉积了大量能量,加热气体并阻止它落入黑洞。尽管加州大学伯克利分校的天文学家最近发现黑洞的质量接近210亿太阳质量,但喷气机和其他过程有效地将超大质量黑洞的大小保持在约100亿太阳质量以下。

据推测,这些喷气机开始和停止,可能持续10至1亿年,如某些星系的图像显示,这些图像显示了一架以上的喷气式飞机,其中一架是老旧的。很显然,黑洞经历了一个令人费解的周期,部分是由偶​​尔不稳定的喷气机中断,这个喷气机基本上把它的食物带走了。

来源:RAS