黑洞透露："白手起家"也能造星
天文觀測發現，黑洞所發動的噴流最終亦可造就恆星形成的燃料。ALMA揭露超大質量黑洞和宿主星系間令人驚奇的關聯。
黑洞所噴發出的強力電波噴流，在星系中通常扮演著壓抑恆星形成的角色，不過有時似不盡然。天文學家發現在「銀暈」中（星系外圍的空間），強大電波噴流也可刺激冷氣體（約攝氏零下263度）形成。2017年ALMA望遠鏡取得新發現論文指出，已確認了低溫緻密氣體與強大電波噴流之間的連結，這些低溫緻密氣體最後可做產生新一代恆星的燃料之用，又或者是回頭成為餵養黑洞的食物。
研究員的目標，指向的是鳳凰座星系團，距離地球57億光年。星系團核心有一星系之恆星誕生率特別高。該星系中心，又有個超大黑洞，正在吞食恆星形成氣體，因為吞食動作劇烈，產生雙極噴流，由大質量黑洞把它強力向外噴發至星系際空間中，天文學家把這類由黑洞供應著強烈能量的系統通稱為活躍星系核(AGN)。
稍早NASA錢卓X射線太空望遠鏡所取得研究結果已顯示，在該星系的AGN噴流中，產生兩瓣對稱而巨大、由高熱電漿（溫度約一千萬度）組成的「電波泡泡」，如下圖
合成圖顯示來自鳳凰星系團中心星系超大質量黑洞的強力電波噴流在星系周圍一團高熱電離氣體中吹出了巨碩的泡泡（藍色區域裡比較黑似呈空洞狀的影像是由錢卓X射線望遠鏡所攝得）。ALMA發現的是緊夾著泡泡外層的大量冷氣體，令人意外。這些氣體可做恆星形成燃料（紅色）。背景圖像由哈伯太空望遠鏡提供。Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) H.Russell, et al.; NASA/ESA Hubble; NASA/CXC/MIT/M.McDonald et al.; B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)
氣體冷卻凝結是恆星得以形成的重要步驟。在這泡泡區域中的種種條件，應該讓氣體不太可能進入冷卻凝結階段。
但是，最新ALMA觀測發現，細絲狀低溫分子氣體正在電波泡泡的邊緣凝結。此絲狀結構自AGN雙極的兩頭向外延伸達8萬2千光年。加總起來，其中所含物質大約夠形成100億個太陽。
ALMA在鳳凰星系團中心拍攝到的冷分子氣體。絲狀結構由中心拉長延展並似乎緊緊夾住由黑洞噴流產生的巨大電波泡泡。這項發現有助釐清超大質量黑洞與宿主星系之間的複雜關聯，為相關研究領域帶來新見解。Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), H. Russell et al.; B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)
最新ALMA觀測發現細絲狀低溫分子氣體正在電波泡泡的邊緣凝結。此絲狀結構自AGN雙極的兩頭向外延伸達8萬2千光年。加總起來，其中所含物質大約夠形成100億個太陽。
這張是插畫圖，示意鳳凰星系團的中心星系的情景。在黑洞噴流所產生的巨大電波泡泡（藍）裡全是高熱的電離氣體。ALMA偵測到的冷分子氣體（紅色）夾住泡泡的外圍。未來，冷分子氣體物質可以形成新恆星，或餵食黑洞。Credit: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)
因此，研究者從這張ALMA新圖片中看到在「黑洞吹出的電波泡泡」和「星系未來成長所需燃料」此兩者間的直接關聯。對於想了解黑洞對星系中恆星形成的調節作用，以及星系有什麼途徑為活躍黑洞獲取額外食物等研究領域，這項研究提供出新觀點。論文第一作者Helen Russel來自英國劍橋大學，研究成果將在ApJ發表。
AGN和星系成長的關聯
另外，這個觀測還讓我們看到另一面前所未見的，有助於更了解AGN和冷分子雲間的關聯。論文共同作者，麻省理工學院的McDonald表示，黑洞要產生強大噴流必須消耗的物質，那和形成新恆星需要的物質是一樣的，這物質給了黑洞噴流能量去擾動鄰近區域，也慢慢扼抑恆星形成，意思是，黑洞應該會幫宿主星系的成長踩煞車。
當看不到明顯熱源出現時，多數大質量星系應該會以極高速製造新恆星，速度遠超過實際觀測所見。天文學家本來相信，這些以「噴流」和「輻射」等形式存在並由狂吃不已的超大黑洞提供的高熱，會阻礙到星系團熱氣體的冷卻，結果壓抑恆星形成。
事實上，故事並非如此簡單。
在這個星系團裡，另外還有一道過程，把星系和其中心黑洞的命運共繫在一條繩子上──電波噴流既加熱星系團核心高熱大氣，同時，它似乎也刺激了能維持AGN等級黑洞所需的冷氣體產生。
上述這一點，正是該項新研究所得令人最為訝異的結果。加拿大華特盧大學的McNamara表示，超大黑洞靠吹泡泡和加熱周邊氣體調節著星系成長。然而很明顯的，黑洞也讓大量氣體降溫，足夠黑洞自己吃飽。
此項結果有助了解所謂宇宙"恆溫器"，在控制超大質量黑洞噴發的電波噴流上，恆溫作用如何發揮。
第一作者Russel認為這發現另有一項意義是，可解釋宇宙歷史過去60億年中，大部分超大質量黑洞如何能壓抑勢不可擋的恆星暴增，又調節宿主星系的成長。
黃珞文譯，周美吟博士校