哈勃發現有些黑洞可促進恒星形成 揭示黑洞反饋及恒星星系演化關系

此前研究中，黑洞系統產生的噴流或外流的速度非常接近光速，噴流、外流掃過的氣體會被加熱，在其路徑上的氣體會被驅散，這些效應顯然不利于恒星形成。而Henize 2-10的中心黑洞產生外流的速度非常低，與氣體作用時也并未顯著加熱氣體，反而其外流通過壓縮氣體，直接產生了觸發恒星形成的效應。

一直以來，黑洞都被認為是個“破壞大王”，會吞噬一切靠近它的物質。然而，近日哈勃太空望遠鏡觀察到矮星系Henize 2-10中的黑洞，與其他已知黑洞的“性情”截然相反，它正在促進而非抑制其附近恒星的形成。

這是一個顛覆性的發現。哈勃太空望遠鏡對Henize 2-10的成像和光譜分析清楚地顯示，一股氣體流從黑洞延伸到明亮的恒星誕生區，如同一條臍帶，讓稠密的云團形成恒星。

促進恒星形成的黑洞

Henize 2-10位于羅盤座(南天星座之一)，距離地球約3000萬光年，其中包含的恒星數量只有銀河系的十分之一左右。華中科技大學物理學院教授雷衛華介紹，銀河系是原始星系不斷生長、并合的產物，而Henize 2-10雖然經歷了漫長的宇宙演化，但仍然保留原始形態，是小尺度星系，可以視作星系的“活化石”。

這樣的矮星系是否也像其他星系那樣，在星系中心存在著一個超大質量黑洞?

“10年前，這個問題還是人們爭論的焦點。人們認為，Henize 2-10星系核心的X射線和射電活動可能是中心黑洞吸積氣體所致，也可能來自年輕的超新星遺跡。”雷衛華說。

而本次哈勃太空望遠鏡的觀測結果，為矮星系中心是否存在大質量黑洞的爭論畫上了句號。此次研究揭示了從星系核心延伸到恒星形成區的雙向外流的特殊結構。通過譜線多普勒頻移，研究人員可以測量出不同位置的外流氣體速度，進一步顯示外流的進動。

此前，科學家在很多活動星系核中也觀測到過噴流的進動。理論上，噴流或外流的進動可能來自扭曲的黑洞吸積盤。雷衛華認為，能觀測到進動的外流，就證明Henize 2-10中心必然是黑洞無疑，不可能來自超新星遺跡。

同時，Henize 2-10中心沒有核球，表明其中心約百萬倍太陽質量的超大質量黑洞在核球形成之前就已存在，這與一般正常星系和活動星系的超大質量黑洞與其核球一起經歷不斷增長的情況不同。

“Henize 2-10中心的超大質量黑洞可能還保持著其嬰兒時期的模樣，極具研究價值，可以借此復原類似銀河系中心超大質量黑洞的原始種子信息。”雷衛華說。

星云若要塌縮形成恒星，必須足夠冷和稠密。在此前的觀測和理論研究中，通常認為從星系中心黑洞產生的噴流或外流在其所經之處會不斷加熱和驅散氣體，必將抑制恒星形成。對于矮星系，雖然觀測到的黑洞活動樣本很少，但科學家仍持相同觀點。

雷衛華表示，對Henize 2-10的觀測發現卻完全相反，其中心黑洞活動產生的外流觸發了恒星形成，這大大出乎科學家的意料。

與眾不同的黑洞外流

伴隨多波段天文學的發展，科學家對星系的研究越來越深入，逐漸累積的證據表明：正常星系和活動星系中心一般都存在著一個質量為百萬倍到百億倍太陽質量的超大質量黑洞。

雷衛華介紹，黑洞本身并不發光，但黑洞的強引力場會影響周圍恒星或氣體，如超大質量黑洞會俘獲并撕裂靠近它的恒星，吸食恒星殘骸，質量超過一億倍太陽質量的黑洞則可以直接吞噬恒星或氣體，形成吸積盤。

黑洞吸積周圍氣體物質形成吸積盤。吸積盤上，相對中心黑洞不同距離處的物質繞轉速度不同，這些物質通過較差轉動(在不同半徑以不同的角速度繞黑洞旋轉)釋放引力勢能并加熱氣體形成熱等離子體，熱等離子體會產生輻射。

雷衛華說，黑洞除了吸積物質，黑洞吸積盤系統也會向外拋射等離子體，產生噴流或外流，這些現象在活動星系核和微類星體中非常普遍。

噴流或外流的形成機制主要有以下3種：低吸積率吸積盤無法有效通過輻射光子來冷卻，熾熱的吸積盤會向外拋射等離子體形成盤風(外流);如果吸積盤存在極強有序磁場，盤上等離子體通過磁力線向外拋射形成外流或噴流;旋轉黑洞可通過周圍有序磁場提取黑洞的轉動能，以加速周圍等離子體形成沿著黑洞兩極方向準直的噴流。

“Henize 2-10中心黑洞產生外流的機制可能是其中某一種，具體是上述哪種機制主導，現在仍然不清楚。”雷衛華表示。

此前研究中，黑洞系統產生的噴流或外流的速度非常接近光速，噴流、外流掃過的氣體會被加熱，在其路徑上的氣體會被驅散，這些效應顯然不利于恒星形成。因此，科學家通常認為黑洞噴流、外流會抑制恒星形成，至少對活動星系而言是如此。

而Henize 2-10作為矮星系，其中心黑洞產生外流的速度非常低，大約每秒幾百公里，相對光速而言非常慢，與氣體作用時也并未顯著加熱氣體，反而其外流通過壓縮氣體，直接產生了觸發恒星形成的效應?；诖?，哈勃太空望遠鏡觀察到Henize 2-10雙向外流直接延伸至恒星形成區。

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種子黑洞的兩種可能來源

2019年4月10日，“事件視界望遠鏡”合作組公布了人類首張黑洞照片，通過黑洞陰影尺度，測量出M87這個距離地球5500萬光年巨橢圓星系中心的黑洞質量約為65億倍太陽質量。

華中科技大學物理學院教授雷衛華介紹，通常認為星系中心黑洞與星系應該是共同增長的關系。但根本問題在于，今天看到的星系中心超大質量黑洞，是在漫長的宇宙歷程中通過種子黑洞不斷并合或吸積物質生長而來的。

那么，最初的種子黑洞是什么?

目前，主流的種子黑洞模型包括“輕種子”和“重種子”兩種。“輕種子”黑洞來自恒星演化產物，即第一代恒星，其金屬豐度極低，幾乎全由氫和氦組成，可達到幾百倍太陽質量，壽命只有百萬年，或坍縮形成100倍太陽質量左右的黑洞。“重種子”黑洞則來自原始氣體或星團直接塌縮，可達幾千到數十萬倍太陽質量。

雷衛華認為，通過Henize 2-10，可以一窺宇宙早期原始星系和種子黑洞活動的樣子，幫助科學家更全面地理解黑洞反饋與星系演化的關系。