天文学家或许即将揭开一个长期存在的宇宙之谜：为何宇宙中某些最大的星系所拥有的恒星数量远少于预期。利用NASA和JAXA支持的XRISM对名为NGC 4151的星系进行的观测，研究人员发现了有力证据，表明超大质量黑洞能够释放强劲的风，吹散制造新恒星所需的原材料。
根据当前模型，最大质量的星系应该包含比天文学家实际观测到的更多的恒星质量。这一差额表明，某种过程一直在抑制恒星的形成。密歇根大学博士生向欣利用XRISM数据调查了一个主要的解释，并发现了直接指向黑洞的证据。
大多数人知道黑洞是引力极强的物体，一旦越过某个边界连光都无法逃脱。然而，黑洞也能在其周围创造出极度明亮的区域。当气体和尘埃向内盘旋时，它们形成一个吸积盘，释放出巨大的能量，包括强烈的X射线。
黑洞风与恒星形成
吸积盘是宇宙中能量最高的环境之一。落向黑洞的物质被引力和摩擦加热，直到变成极热的等离子体。同时，吸积盘可以发射出强大的物质外流。
这些风足以将气体吹出星系。由于气体是制造新恒星所需的原料，这种外流可能会显著减少未来的恒星形成。
来自XRISM的数据支持了这种可能性。该任务由日本宇宙航空研究开发机构主导，并与美国国家航空航天局及欧洲航天局合作进行。
“以前没有XRISM的时候，我们只能看到外流的宽泛特征，”向欣说。“但你需要能够分辨精细特征才能回答重要问题。它们的结构和几何形状是什么？风是如何发射的，又是在何时发射的？”
XRISM提供更清晰的视野
XRISM于2023年发射，于2024年秋季开始科学观测。其能量分辨率比上一代仪器高出约10倍，使天文学家能够更详细地检查黑洞环境。
向欣和她的合作者重点关注了NGC 4151，这是一个距离地球略多于5000万光年的明亮星系。其中心是一个活动星系核（AGN），那里的超大质量黑洞正在活跃地吞噬物质并产生明亮的吸积盘。这使得NGC 4151成为研究黑洞驱动外流的理想实验室。
“有了XRISM，我们拥有了观测最亮AGN的最高分辨率，并且获得了迄今为止关于吸积盘外流最丰富的信息，”向欣说。
向欣与密歇根大学天文学教授乔恩·米勒合作，此前已证明来自NGC 4151吸积盘的风可以达到足够高的速度，将物质喷射出该系统。她还确定了驱动这些外流的可能机制（这似乎就是所谓的磁离心驱动，类似于引发太阳耀斑的机制）。
追踪最快的黑洞外流
在加利福尼亚州帕萨迪纳举行的第248届美国天文学会会议上，向欣提出了一种确定NGC 4151强风何时活跃的新方法。这种方法可以帮助研究人员识别其他星系中类似的外流，并增进对全宇宙AGN的理解。
由于AGN风会随时间发生剧烈变化，向欣需要一种方法来精准确定最快、最强外流发生的时间。为此，她分析了XRISM对NGC 4151数百天的观测数据。
她的工作重点关注该星系X射线输出在耀斑中增亮的时期，以及随后数小时内X射线信号的演变情况。
除了测量亮度外，向欣还研究了探测到的X射线相对偏硬还是偏软，这一属性类似于可见光中的颜色。她将这些测量值结合成一个名为颜色强度指数的新指标。米勒建议将名称缩短为“cindicity”。
“部分原因是因为我的名字叫Cindy，”向欣说。“但其理念是，在未来，你可以告诉我你的源此刻的cindicity，我就能告诉你观测到快速外流的概率。”
黑洞与星系风之间新的时间联系
分析揭示了一个令人惊讶的模式。在NGC 4151中，最强的快速风出现在X射线较硬但相对较暗弱的时候。
最快的外流并非发生在X射线耀斑期间。相反，它们通常出现在约10,000秒，即不到三小时之后。这一发现提供了X射线活动与黑洞吸积盘流出的强风之间首个直接的时间联系。
通过确定这些外流发生的时间，天文学家现在有了一个宝贵的新工具，用于研究黑洞如何影响星系的生长和演化，并可能解释为什么宇宙中一些最大质量的星系缺失了如此多的恒星。