天文速递 | 2023年02月下篇

04  相距最近：
新发现的两个超大质量黑洞

UGC 4211（左）及其中心双超大质量黑洞（右）的艺术图。Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)；M. Weiss (NRAO/AUI/NSF)

发表于2023年1月9日《天体物理学报通信》上的一篇论文宣布，在一个并合星系中心，天文学家确认了一对超大质量黑洞的存在，它们是迄今为止观测到的相距最近的一对超大质量黑洞，只有750光年。虽然在未来的几亿年内它们不会碰撞，但最终它们会并合在一起，产生一个新的超大质量黑洞。

超大质量黑洞存在于星系的中心，其质量是太阳的上百万倍到数十亿倍。它通过吸积周围物质，如气体、尘埃、恒星等而不断成长。当两个星系相互并合时，它们中心的超大质量黑洞也会最终相遇。当距离足够近时，两个超大质量黑洞将开始相互绕转。由于黑洞之间的气体和恒星会使其相互绕转的轨道损失能量，轨道会逐渐收紧。最终，它们会相互碰撞形成一个新的超大质量黑洞。

并合星系被称为UGC 4211，距离地球约4.8亿光年，正处于并合的最后阶段，即星系形态仍然不规则，但已经不能分辨出前身星系。研究人员利用了高分辨率的多波段数据，确认了UGC 4211中心存在双核，即拥有两个尚未最终并合的超大质量黑洞。数据分析表明，它们之间的距离仅有750光年，二者质量分别是太阳的2亿倍和1.25亿倍。

研究人员使用的多波段数据来自众多的空间及地面望远镜，包括哈勃空间望远镜、甚大望远镜、凯克天文台、阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵。不同波段的数据都证实了UGC 4211双核的存在，并且揭示了星系的不同性质。比如光学波段展示了并合星系的恒星性质，红外波段可以揭示隐藏在星系中心大量尘埃背后的辐射，射电波段则可以展现超大质量黑洞及周围气体的性质。这些数据更加全面的展现了UGC 4211，让天文学家更清楚、全面地了解星系并合的景象。目前，我们的银河系正在与仙女座星系相互靠近，预计将在大约45亿年后发生碰撞，现在正处于并合的早期阶段。UGC 4211就向我们展示了，银河系与仙女座星系并合后可能的样子。

此外，研究人员根据观测数据估计了宇宙中正在并合的超大质量黑洞的数量，发现可能比之前预计的要多很多。与恒星级天体并合相比，超大质量黑洞的并合过程会产生前者无法比拟的强大引力波，因此如果后者的数量比预想要多的话，天文学家就可能会更加容易和频繁地探测到引力波事件；而通过研究引力波，将使我们对星系并合及演化有更多的理解。

05 年轻宇宙中的有棒星系

六个有棒星系的韦布望远镜图像，其中EGS-23205和EGS-24268存在于大约110亿年以前，是目前发现的最早的有棒星系。Credit: NASA/CEERS/University of Texas at Austin

韦布空间望远镜不断为天文学家带来惊喜，它的新图像首次揭示出，当宇宙只有现在年龄的四分之一时，有棒星系便已经存在的图景。相关研究结果发表在2023年最新的《天体物理学通信》上。

星系棒是由大量恒星和气体组成棒状结构，从星系中心延伸到外盘部位；对于它是如何形成的，天文学家还在寻找答案。但可以确定的是，棒在星系演化中发挥着重要作用。星系中心结构的成长和演化，比如超大质量黑洞和核球，需要大量的原料（即气体）以完成足够多的恒星形成；但是只依靠星系中心区域的气体，是不足以形成现在所观测到的中心结构的。那么如此之多的气体是从何而来的呢？棒结构的出现，解决了星系形成过程中的供应链问题：星系棒能够有效的、源源不断地将气体从星系外围输送到中心区域，这就像我们将原材料从港口运到生产新产品的内陆工厂一样。棒结构维持和促进了恒星形成，在中心区域，恒星形成率通常是星系其他区域的10-100倍。此外，大量原料汇集在星系中心，也会触发活动星系核，有助于星系中心超大质量黑洞的成长。有棒星系何时在宇宙中出现的？它占所有星系的比例是如何随着时间而变化的？这些问题的答案都将深刻影响我们对星系演化的理解。

从韦布望远镜获得的图像中，研究人员首先目视检查了数百个至少80亿年前的星系，寻找那些看起来有棒状结构的星系，这将有棒星系的候选者缩小到了几十个，之后他们使用数学分析方法最终确定了6个有棒星系。其中2个有棒星系（EGS-23205和EGS-24268）甚至存在于大约110亿年以前的年轻宇宙中，这是目前发现的最早的有棒星系。在韦布空间望远镜之前，哈勃空间望远镜是最强大的光学及近红外望远镜，但它的图像从未在如此年轻的宇宙中观测到过棒结构。在哈勃的图像中，EGS-23205只不过是一个盘状的斑点，但在韦布空间望远镜于2022年夏天拍摄的图像中，它是一个美丽的棒旋星系，有清晰的恒星棒和漂亮的旋臂。韦布空间望远镜能够比哈勃望远镜更好地揭示遥远星系的结构，原因有二：首先，它的口径更大，这使其分辨率更高，并且能够观测到更暗弱的星系结构。其次，它的工作波长比哈勃望远镜的更长，达到中红外和远红外波段，这使其可以看得更远，并且更少的受到星系中尘埃的影响。

这是第一次在如此年轻的宇宙中观测到有棒星系，既挑战了棒结构本身的形成理论，也挑战了现有的星系形成和演化模型。天文学家需要不断完善理论，才能对有棒星系不断更新的观测数据进行正确预测。

06 星系团内光：
有关来源和形成的新发现

两个星系团的哈勃图像。蓝色标出了星系团内光的分布。Credit: NASA, ESA, STScI, James Jee (Yonsei University)

星系团由几百甚至上千个星系所组成。除了成员星系外，星系团内部还存在着大量恒星，弥散在星系之间，尤其分布在星系团的中心区域。这些恒星与星团中的任何一个星系都没有引力关联，它们散发着暗淡的光芒，构成了星系团内光。一直困扰天文学家的问题是：这些恒星最初是如何分布在星系团中的，还如此的分散？星系团内光的来源是什么，等等。最近，哈勃空间望远镜进行了一项红外波段巡天项目，在距离地球约80-100亿光年的范围内，对10个星系团的星系团内光进行了探测。观测数据表明，构成星系团内光的恒星已经在星系际空间游荡了80亿年，这些恒星并不是星系团内部、近期的动力学活动的产物。这为星系团内光的起源研究提供了新的线索，相关结果发表在2023年1月5日的《自然》杂志上。

关于星系团内光的来源和形成，比较流行的理论认为，构成它的恒星是从成员星系中被剥离出来的。在一个成员星系围绕星系团中心运动的过程中，它会不停穿过充满气态物质的星系际介质，星系和星系际介质之间的潮汐摩擦，会剥离成员星系中的恒星，使这些恒星散布在它们诞生星系之外的环境中，从而形成星系团内光。不过，如果这种剥离效应，是星系团内弥散恒星产生的主要原因，那么星系团内光相对于整个星系团的光度占比，就会随着时间的推移而增加。然而，此次哈勃数据显示的结果却并非如此：在过去约80亿年间，星系团内光的光度占比保持不变。据此，研究人员不认为剥离是星系团内弥散恒星产生的主要机制。

此次观测得到的恒定光度占比，也意味着这些恒星在80亿年前星系团形成的早期阶段，就已经无家可归了。研究人员还不清楚是什么过程，让它们在星系团早期时就被大量产生，目前的理论都无法很好的解释这次的结果。一种可能的原因是，在星系团形成的早期，成员星系还非常小，由于引力较弱，从而让它们很容易失去恒星。

对星系团内光的研究，不但能帮助我们更加深入了解整个星系团的形成演化历史，它还可以做为包裹充斥着星系团的暗物质的可见示踪剂。就如此次结果所表明，星系团内光的恒星诞生于星系团的早期，那么它们就会有足够的时间充分分散在整个星系团中。这将允许天文学家使用这些恒星来绘制整个星系团的暗物质分布图。而对于暗物质分布的探测来说，引力透镜是传统的方法，而星系团内光将可以作为对传统方法的补充。