當天文學家使用射電望遠鏡凝視夜空時，他們經常會看到橢圓型星系，其中央的超大質量黑洞兩側有雙胞胎噴射器噴射出來。然每隔一段時間–不到10%的時間–天文學家可能會發現一些特殊和罕見的東西：一個X形射電星系，有四個噴流延伸到太空深處。
儘管這些神秘的X形射電星系二十年來一直困惑着天體物理學家，但一項新研究揭示了它們是如何形成的–並且出奇得簡單。另外，根據這項研究，X型射電星系可能比以前認為的更常見。
西北大學的這項研究於當地時間8月29日發表在《Astrophysical Journal Letters》上。它代表了第一個大規模的星系吸積模擬從而跟蹤遠離超大質量黑洞的星系氣體一直向它移動。
簡單的條件導致了混亂的結果
西北大學的天體物理學家在實施了簡單條件的情況下用新模擬模擬出了一個超大質量黑洞的進食及其噴射器和吸積盤的有機形成。當科學家們運行模擬時，簡單的條件有機地、出乎意料地引發了一個X形射電星系的形成。
令人驚訝的是，研究人員發現，該星系特有的X形是由噴流和落入黑洞的氣體之間的相互作用造成。在模擬的早期，落入的氣體使新形成的噴流發生偏轉，噴流開啟和關閉，無規律地搖擺，然後在不同的方向上對空腔進行充氣以類似於一個X形。不過最終，噴射器變得足夠強大，可以穿過氣體。在這一點上，射流穩定下來，停止擺動，並沿單一軸線傳播。
“我們發現，即使有簡單的對稱初始條件，你也會有相當混亂的結果，”負責領導這項研究的西北大學的Aretaios Lalakos說道，“對X形射電星系的一個流行的解釋是，兩個星系相撞，導致它們的超大質量黑洞合併，這改變了殘餘黑洞的旋轉和射流的方向。另一個想法是，噴流的形狀被改變了，因為它跟包裹着一個孤立的超大質量黑洞的大規模氣體相互作用。現在，我們首次揭示了X形射電星系事實上可以以一種更簡單的方式形成。”
Lalakos是西北大學溫伯格文理學院的一名研究生，也是天體物理學跨學科探索與研究中心(CIERA)的成員。他的共同導師是論文的共同作者Sasha Tchekhovskoy，他是西北大學物理學和天文學的助理教授也是CIERA的主要成員，還有Ore Gottlieb，他是CIERA的博士后研究員。
一個意外的X形射電星系
射電星系發出可見光，它們還包含了大面積的射電發射區域。M87可能是最著名的射電星系。它是宇宙中質量最大的星系之一，2019年，當事件地平線望遠鏡對其中央超大質量黑洞進行成像時，這一點被進一步普及。X型射電星系最早是在1992年提出的，在所有射電星系中占不到10%。
當Lalakos着手建立黑洞模型時，他並不期望模擬出一個X型星系。相反，他的目標是測量一個黑洞所吞噬的質量量。他在模擬中輸入了簡單的天文條件並讓它運行。Lalakos最初並沒有認識到新出現的X形的重要性，但Tchekhovskoy的反應是熱情洋溢的。
“他說道，‘夥計，這非常重要！這是一個X形！’”Lalakos說道，“他告訴我，天文學家們在現實生活中觀察到了這一點，但不知道它們是如何形成的。我們以一種以前甚至沒有人猜測過的方式創造了它。”
在以前的模擬中，其他天體物理學家曾試圖人為地創造X形結構以研究它們是如何產生的。但Lalakos的模擬有機地導致了X形的出現。
“在我的模擬中，我試圖什麼都不假設。通常情況下，研究人員將一個黑洞放在模擬網格的中間並在其周圍放置一個大型的、已經形成的氣態盤，然後他們可能在氣態盤外添加環境氣體。在這項研究中，模擬開始時沒有圓盤，但隨着旋轉的氣體越來越接近黑洞，很快就形成了一個圓盤。然後這個圓盤為黑洞提供能量併產生噴射。我做了儘可能簡單的假設，所以整個結果是一個驚喜。這是第一次有人從非常簡單的初始條件的模擬中看到X形形態，”Lalakos介紹道。
“沒有足夠的運氣看到它們”
由於X形只是在模擬的早期出現–直到噴流加強和穩定–Lalakos認為X型射電星系在宇宙中出現的頻率可能比以前認為的要高，但持續的時間非常短。
他說道：“它們可能在每次黑洞獲得新氣體並再次開始進食時出現。因此，它們可能經常發生，但我們可能沒有足夠的運氣看到它們，因為它們只發生在噴氣的力量太弱且無法推開氣體的時候。”
接下來，Lalakos計劃繼續運行模擬以更好地了解這些X形是如何產生的。他期待着對中心黑洞的吸積盤和旋轉的大小進行實驗。在其他模擬中，Lalakos包括了幾乎不存在的吸積盤，一直到極其巨大的吸積盤–都沒有導致難以捉摸的X形的出現。
Lalakos說道：“對於宇宙的大部分來說，不可能在中心位置放大並看到在黑洞附近發生了什麼。而且即使是我們可以觀察到的東西，我們也受到時間的限制。如果超大質量黑洞已經形成我們就不能觀察它的演變，因為人類的壽命太短了。在大多數情況下，我們依靠模擬來了解黑洞附近發生的事情。”