小型星际尘埃或高速流出为黑洞“加油”

2月12日，国际知名学术期刊《科学进展》在线发表了中国科学技术大学物理学院天文系王廷贵教授和刘桂林教授、特约副研究员何志成的一项新研究。发现何志成创造了一种全新的测量星系中电离气体物理性质的方法，并首次发现活动星系(活动强烈的星系)中心的高速外流在100光年的尺度上加速，超过了经典黑洞-吸积盘风尺度两个数量级以上。

高速外流影响星系演化。

目前，根据星系形成演化理论，一般来说，在一个星系的中心活动着一个超大质量黑洞，这个巨型黑洞的质量可以超过太阳质量的10亿倍，其释放的巨大能量可以有效调节星系的演化，防止其增长过大。这种机制被称为“活动星系核反馈机制”。

作为活动星系中心的“发动机”，活动的超大质量黑洞在吸积黑洞周围物质时会形成旋转的吸积盘，将大量气体电离并“吹”入星际空间，形成高速外流。这种高速外流的速度可以达到光速的十分之一，这种外流产生的强烈电磁辐射的强度可以超过其所在星系恒星光度(即电磁辐射强度)之和的千倍，对其所在星系的整体演化有重要影响。这种外流将物质和能量从星系核“输送”到星系外围，是活动星系核反馈机制的主要形式之一。然而，到目前为止，人们对活动星系高速外流的物理性质、起源、加速机制以及对星系演化的具体影响知之甚少。

高速外流的规模是理解其起源和衡量其对星系环境影响的核心参数之一。这是因为高速外流的规模和星系一样大，可以和整个星系中的物质相互作用，进而影响整个星系的演化。

但是科学家要研究星系的快速流出并不容易。由于宇宙中的星系距离地球很远，所以从地球的角度来看这些星系高速流出的尺度非常小，在图像中只是一个“点”，无法直接推断出其具体大小。

此前学术界一般用受激离子的密度敏感吸收线来计算高速流出的尺度。但是这种方法技术复杂，对高速外流气体密度的测量不够精确，导致高速外流规模的测量结果受到影响。因此，近30年来，人们仅用这种方法计算了几十个活动星系的高速流出尺度，在尺度的大小上还存在争议。

100光年规模的加速度

高速外流的起源、规模和能量与超大质量黑洞的吸积过程和星系的演化有关。科学家认为高速流出很可能抑制了星系中恒星的形成。为了得到这个问题的确切答案，何志成一直在尝试和探索。为了突破困境，他另起炉灶，从吸收线的光变(即吸收线深度或速度的变化)这一新的角度提出了测量高速外流物理参数的新方法，并利用斯隆大样本的巡天数据发现，高速外流尺度大多在几十光年以上，其能量足以影响星系的整体演化。2019年，他的研究成果发表在《自然天文学》杂志上。

此后，经过几年的努力，何志成发展了一种同时利用响应函数振幅和相位信息的新方法，成功获得了类星体(距地球最远、光度最高的活动星系)高速流出的运动学信息。利用这种新方法，何志成首次发现了高速外流的加速现象

接下来的问题是，这些高速外流源自哪里？它们的加速机制是什么？何志成等人怀疑星际尘埃很可能在高速外流的加速中起了重要作用，因为尘埃与黑洞吸积盘紫外辐射的相互作用截面远大于自由电子的汤姆逊散射截面，所以含有尘埃的气体更容易被吸积盘的辐射加速。

进一步的分析也证实了这一猜想：研究人员发现，在黑洞吸积盘中辐射与尘埃的相互作用模型中，加速高速流出气体所需的尘埃含量与观测到的尘埃消光(光穿过尘埃后被尘埃吸收变暗的现象)在一个标准偏差内完全一致。

这一发现表明，尘埃在吸积盘辐射与星际介质的耦合中起着关键作用，使得高速外流对宿主星系(超大质量黑洞所在的星系)中的恒星形成产生了重大影响：如果星系中的介质含有尘埃，黑洞吸积盘的辐射将更容易将能量转移到星系中的介质中， 而且将介质加速直接吹出星系会更容易，这样可用于恒星形成的介质会更少，星系的质量也不会继续增加。

值得一提的是，何志成等人建立的测量星系中电离气体密度的新方法，克服了传统方法受气体速度色散限制的缺点(即只能适用于窄吸收线)。何志成表示，在当今时域天文学日新月异、重复观测数据大量积累的情况下，研究团队将充分挖掘这一新方法的潜力，将其发展成为测量电离气体密度的通用方法。