新闻速递2023年4月下篇
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公元185年超新星爆发的遗迹
暗能量相机拍摄到的超新星遗迹，可能对应着发生在公元185年的超新星爆发事件。Credit: NSF NOIRLab
公元185年，中国古代天文学家目睹并记录了一颗“客星”，它肉眼可见的时间持续了大约八个月，之后逐渐暗淡，并从人们的视野中消失。这是人类记录的第一颗超新星，位于圆规座和半人马座之间，距离地球约9000光年，现在被称为SN 185。以SN 185为中心的外围星际空间中，弥漫着一圈撕裂的碎片环，其所环绕的区域比满月的视直径还要大，天文学家将这个结构命名为RCW 86，被认为是超新星SN 185的遗迹。
最近，由安装在智利的托洛洛山美洲天文台4米望远镜上的暗能量相机拍摄了RCW 86的最新的图像，并在2023年3月1日对外公布。暗能量相机的大视场和高分辨率特性，以前所未有的细节揭示了RCW 86当下的结构。从图像中可以看到呈环形分散的卷须状尘埃和气体云，它们似乎正从中心点飞走，就像气球炸裂后的破碎残骸。
尽管RCW 86和SN 185之间的联系看似已经很明显，但仍有问题困扰着天文学家。SN 185曾被认为是一颗核心坍缩超新星，即一颗大质量恒星由于自身引力而爆炸，并将自身物质吹散到星际空间。如果是这种情况，天文学家认为RCW 86需要大约一万年的时间才能形成我们今天测量到的它的大小。然而，SN 185仅仅在1800多年前爆发，这意味着RCW 86比SN 185更古老。但是，2006年的一项研究发现，RCW 86的大尺寸是由于其极高的膨胀速度造成的，由此估算出了一个更小的年龄，大约为2000年，这大大加强了RCW 86与SN 185之间的联系。但这里仍然有一个疑问：RCW 86为什么会膨胀得如此之快？
利用来自其它望远镜的数据，天文学家发现RCW 86中含有大量的铁元素，这是另一种类型的超新星爆发的明显特征，即Ia型超新星。Ia型超新星发生在双星系统中，即当一颗致密的白矮星从它的伴星吸积物质到临界点时就会发生爆炸。这种超新星异常明亮，即使在人类历史的早期，天文学家仅限于肉眼进行观察，这种现象也不会被忽视。
天文学家现在认为，SN 185前身应该是处于一个双星系统之中，SN 185在吞噬伴星的物质时，产生的高速风会将周围的气体和尘埃向外推，形成一个空腔。之后，当SN 185无法承受更多从伴星吸积到它身上的质量时，它发生了猛烈的爆炸。而先前形成的空腔为高速的爆发过程提供了充足的空间，使其仍然能够以非常高的速度保持快速膨胀，最终形成我们今天看到的巨大超新星遗迹。暗能量相机清晰完整的图像，可以让天文学家更加深入地研究RCW 86，有助于阐明它在过去1800多年中的演化过程。
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“逃跑”的超大质量黑洞
利用哈勃空间望远镜观测矮星系RCP 28时，发现的一条明亮光带，猜测是由一个被弹射出的超大质量黑洞造成的。Credit: van Dokkum et al. (2023)
近期，由耶鲁大学天文学家领导的团队发现了一个“逃跑”的超大质量黑洞，它似乎是从其宿主星系中被弹射出来的，在星际空间中疾驰而过，并且有一个长长的恒星和气体光带尾随其后。对于超大质量黑洞可以从其宿主星系中逃离出来的理论，该发现提供了首个观测证据。研究结果已于近期被《天体物理学报通信》确认接收。
研究人员在使用哈勃空间望远镜对距离地球约75亿光年的矮星系RCP 28进行观测时，发现了一条明亮的光带。这条光带的长度超过了20万光年，大约是银河系直径的两倍，并且它指向星系的中心，那里通常是一个超大质量黑洞的所在位置。
天文学家认为，在很多星系的中心可能都拥有一个超大质量黑洞。而活跃的超大质量黑洞能够将周围物质以高速喷射出去，并产生喷流，从而形成长长的光柱。从表面上粗略来看，喷流与研究人员发现的光带是相似的。那么这条光带真的是喷流吗？研究团队分析了这条光带的数据，发现它不具备喷流的特征。通常喷流会随着远离发射源而变得越来越弱，但这条光带随着远离其可能的起源点，也就是矮星系RCP 28的中心，却变得越来越强。此外，超大质量黑洞喷射的喷流是从源头呈扇形散开的，而这条光带却一直保持着一条线的状态。
经过研究，研究团队得出的结论是，最符合这条光带性质的解释是，这是一个超大质量黑洞被踢出了星系中心，在逃离的过程中留下了痕迹，并使途中的气体被压缩，触发其尾流中的恒星形成。研究人员估计出这个逃跑的超大质量黑洞的质量约是太阳的2000万倍，并以560万千米/小时（相当于大约4500倍音速）的速度远离其宿主星系。
那么接下来的问题就是，这样一个超大质量黑洞是如何从其宿主星系中被弹射出去的。研究人员认为，由三体相互作用引发的像弹弓一样的效应，最有可能解释我们观测到的这个现象。当三个质量相似的天体在引力作用下相互绕转时，其结果不会产生稳定的三体状态，而通常会形成一个双天体系统并弹射出第三个天体。这可能意味着观测到逃跑的超大质量黑洞，它可能曾经属于一个双超大质量黑洞系统，并且在一次星系合并的过程中，第三个超大质量黑洞被引入到相互作用中，而将其中一个黑洞被踢出。超大质量黑洞的弹射现象在50年前就已经被预测过，而这是第一次有明确的观测证据，表明超大质量黑洞可以逃离其宿主星系。
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早期宇宙中发现大质量星系
六个大质量星系，处于大爆炸后仅5-7亿年的宇宙初期。Credit: NASA, ESA, CSA, I. Labbe (Swinburne University of Technology)
利用韦布空间望远镜拍摄到的早期宇宙图像，一个国际天文学家团队发现了六个大质量星系，它们正在颠覆天文学家之前对宇宙中星系起源的理解。按照之前的理论，似乎它们不应该出现在那里。而现在，没有人能解释它们是如何形成的。
韦布空间望远镜是目前最大的空间红外望远镜，能够观测到哈勃空间望远镜所无法观测到的年老、遥远及暗弱的天体。它能更容易地观测宇宙早期的图景，从而有利于研究宇宙起源的问题。2022年7月，韦布空间望远镜公布了它的第一张彩色图像，天文学家继而投入到对其的研究中。图像中有一些微小的红点，通过分析它们发出的光，研究人员认定它们的距离非常遥远，存在于大爆炸后仅5-7亿年的宇宙初期。此外，这些红点经过确认是星系。
早期宇宙中有星系存在，这并不令人惊讶。根据目前的演化理论，天文学家对早期宇宙中存在的星系类型有特定的预期：它们小且年轻。利用哈勃空间望远镜和其他仪器对早期宇宙进行的观测和研究也证实了这个预期：一些小型、蓝色的婴儿星系，存在于遥远的早期宇宙，它们刚刚才从原始宇宙汤中形成自身的形态，并正在产生恒星和构建它们的结构。但是韦布空间望远镜最新的观测结果，却让天文学家大为震惊。研究人员分析发现，有六个遥远星系的质量大得惊人，都超过了100亿个太阳质量，其中最大质量的星系可以达到1000亿个太阳质量，并且年龄并非十分年轻。这个结果表明，在宇宙年龄仅为当前年龄的3%时，宇宙中就已经分布着质量与银河系相当的成熟星系。这个发现令天文学家非常困惑，因为目前基本所有的宇宙学模型都不能对此给出合理的解释。
考虑到这些星系拥有如此大的质量，天文学家要么需要修改宇宙学模型，要么需要修正对早期宇宙中星系形成的物理理解。这两种情况都需要天文学家对宇宙形成和演化的理解发生根本性的转变。天文学家计划很快将韦布空间望远镜再次转向这些星系，从而获得它们的光谱。光谱可以给出这些星系非常精确的距离，并且揭示其更多的化学和物理特性，帮助天文学家确认当前的发现是否是真实的。该研究成果发表于2023年2月22日的《自然》杂志上。
文章作者· 北京天文馆 赵冬瑶
文章编辑、排版· 北京天文馆 唐 伟
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