中國科大發(fā)現(xiàn)紅色類星體驅(qū)動外流產(chǎn)生成對的超級氣泡

由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文學(xué)系劉桂琳教授、何志成特任教授、沈璐博士牽頭的中美德三國科研人員組成的國際團(tuán)隊，首次觀測到紅色類星體驅(qū)動外流所產(chǎn)生的成對的超級氣泡，這些巨大的氣泡正處于從星系爆發(fā)性逸出的階段。該成果以“Discovery of spectacular quasar-driven superbubbles in red quasars”為題，于2023年7月13日在線發(fā)表于國際知名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）。

當(dāng)今星系演化理論的一項重要困難，是大質(zhì)量星系的實際數(shù)量顯著低于理論預(yù)期，因而需要設(shè)定某種機(jī)制有效抑制新恒星的形成，從而調(diào)節(jié)星系的生長。理論研究發(fā)現(xiàn)，如果星系在其活躍的“類星體”階段驅(qū)動大量氣體外流到宇宙空間，理論和觀測可趨于一致，這使得外流機(jī)制作為星系演化模型中不可或缺的環(huán)節(jié)。但由于實測難度大，外流機(jī)制長期停留在理論假設(shè)層面，直接觀測證據(jù)非常有限。

劉桂琳教授等團(tuán)隊長期致力于實測活動星系外流，曾于2013年使用位于美國夏威夷的北雙子星天文臺8米望遠(yuǎn)鏡取得突破，發(fā)現(xiàn)中紅移高光度類星體普遍存在準(zhǔn)球形外流的直接證據(jù)，美國天文學(xué)會稱他們“首次證明活動星系核的反饋發(fā)生在3萬光年尺度上”，被國際同行稱為該領(lǐng)域近年取得顯著進(jìn)展的代表性成果，產(chǎn)生了廣泛的國際影響。然而，傳統(tǒng)的類星體篩選方式會遺漏富含塵埃、光學(xué)波段暗弱的紅色類星體，它們在每個宇宙時期都是實際上最明亮的類星體，恰恰很有可能驅(qū)動強(qiáng)勁的外流。

有鑒于此，團(tuán)隊利用北雙子星望遠(yuǎn)鏡彌補(bǔ)了針對紅色類星體的觀測，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)樣本中半數(shù)均有顯著外流特征（此次發(fā)表了其中三個）。這些外流并非此前看到的準(zhǔn)球形，而呈現(xiàn)為壯觀的巨大超級氣泡對，最大的一對延伸超過6萬光年，最高視向速度差達(dá)到1200千米/秒（極可能脫離星系引力勢阱）。這些氣泡對是類星體所驅(qū)動的外流沖擊星系環(huán)境中的氣體產(chǎn)生，它們正處于從星系高密度環(huán)境中“爆發(fā)性逃逸（break-out）”的短暫階段，在快速膨脹同時猛然沖向星系外圍的空間。

成對超級氣泡的系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)對于外流研究有獨特價值：1.難以可靠證認(rèn)外流，是觀測研究的常見困難，比如外流速度常因投影效應(yīng)而被嚴(yán)重低估而導(dǎo)致存疑，以及僅憑視向速度場等觀測信息甚至難以區(qū)分外流和內(nèi)流等等；相比之下，超級氣泡對的存在是相當(dāng)可靠的外流證據(jù)。2.理論研究認(rèn)為，外流與星系環(huán)境氣體間的作用會導(dǎo)致不同的觀測形態(tài)；由于形成氣泡會對星系環(huán)境參數(shù)提出特定要求，所以氣泡提供了推算外流能量、評估外流對星系整體演化影響的獨特機(jī)會。3.我們所在的銀河系也有一對超級氣泡，它們與本課題之間的科學(xué)相關(guān)性，有助于深入理解星系演化歷史上活躍時期的性質(zhì)和行為。

超級氣泡結(jié)構(gòu)雖有一定數(shù)量偶然發(fā)現(xiàn)的先例，但在特定類型的星系中系統(tǒng)性發(fā)現(xiàn)，在國際上尚無先例。該團(tuán)隊同時開展的數(shù)值模擬顯示，產(chǎn)生超級氣泡的外流氣體，其能量足以對星系整體演化產(chǎn)生重要影響。至此，該團(tuán)隊持續(xù)十年的系列外流研究，首次運用積分視場光譜技術(shù)針對中紅移高光度類星體（涵蓋了1型、2型和紅色類星體）的系統(tǒng)普查得以完成。這一系列工作有望對星系演化圖像的完整構(gòu)建產(chǎn)生深刻影響。

圖1. 由 美英加澳等七國共建的國際雙子星天文臺擁有兩臺分別位于南北半球的8米望遠(yuǎn)鏡，圖示為銀河之下位于美國夏威夷的北雙子星望遠(yuǎn)鏡 。來源： International Gemini observatory / NOIRLab / NSF / AURA / P. Horálek (Institute of Physics in Opava)

圖2.三個紅色類星體的超級氣泡對，從左至右的三列依次為表面亮度、視向速度和速度彌散的分布圖。它們延伸達(dá)數(shù)萬光年，正處于從星系高密度環(huán)境中“爆發(fā)性逃逸”的短暫階段，在快速膨脹同時猛然沖向星系外圍的空間 。

圖3.流體力學(xué)模擬成功再現(xiàn)了超級氣泡對的形態(tài)和氣體運動學(xué)特征。從左到右依次為模擬的表面亮度、視向速度和速度彌散分布圖。