數十億年前，在150億光年外的一個星系團中心，一個黑洞噴出了等離子射流。當等離子體衝出黑洞時，它推開了物質，形成了兩個相距180度的大空穴。麻省理工學院卡夫利天體物理和空間研究所(MKI)的麥可·卡爾扎迪拉用同樣的方法，根據隕石坑的大小來計算小行星撞擊能量，利用這些太空穴的大小來計算黑洞噴發的能量。在發表在《天體物理學》期刊上的新研究中，卡爾扎迪拉和合著者研究了星系團SPT-CLJ0528-5300(簡稱SPT-0528)的噴發。
將置換氣體的體積和壓力與兩個大空穴的年齡結合起來，就能夠計算出噴出的總能量。超過10^54焦耳的能量，這是在遙遠星系團中發現的最強大噴發。宇宙中點綴著星系團，這些星系團聚集了成百上千個充斥著熱氣和暗物質的星系。每個星團的中心都有一個黑洞，黑洞經歷了進食的時期，在那裡黑洞從星團中吞噬等離子體，然後是爆炸性噴發的時期，一旦達到飽和，黑洞就會發射出等離子射流，而SPT-0528是噴發階段的一個極端案例。
儘管黑洞噴發發生在數十億年前，在我們的太陽系還沒有形成之前，來自星系團的光花了很長時間才一路傳播到美國宇航局(NASA)繞地球運行的X射線發射錢德拉天文台。由於星系團充滿氣體，早期的理論預測，當氣體冷卻時，星系團將看到高速率的恆星形成，這需要冷卻的氣體才能形成。然而，這些星團並不像預期的那樣冷，因此，沒有以預期的速度產生新恆星。有什麼東西阻止了氣體完全冷卻？
罪魁禍首是超大質量黑洞，黑洞噴發的等離子體使星系團中的氣體溫度過高，無法快速形成恆星。SPT-0528記錄到的爆發還有另一個特點，使它有別於其他黑洞噴發。它太大了，天文學家認為，氣體冷卻和黑洞釋放熱氣的過程，是保持星系團溫度穩定平衡的原因，星系團徘徊在1800萬華氏度左右。它就像一個恆溫器，然而SPT-0528的突出並不處於平衡狀態，SPT-0528黑洞的噴發是一個有「故障」恆溫器。
這就好像把空氣冷卻了2度，而恆溫器的反應是將房間加熱100度。此前研究了一個不同的星系團，這個星系團表現出了與SPT-0528完全相反的行為。這個星系團中的黑洞不是不必要的猛烈噴發，而是無法阻止氣體冷卻。與所有其他已知的星系團不同，這個星系團充滿了年輕的恆星託兒所，這使它有別於大多數星系團。有了這些比較，天文學家真正看到的是兩個極端可能的界限，同時還將描述更正常的星系團特徵，以便了解星系團在宇宙時間內的演化。
為了探索這一點，研究人員目前正在研究100個星系團。之所以描述如此龐大的星系團集合，是因為每一張望遠鏡圖像都捕捉到了特定時刻的星系團，而它們的行為發生在宇宙時間上。這些星系團覆蓋了一系列的距離和年齡，使得研究人員能夠研究星系團的屬性，是如何隨著宇宙時間的變化而變化，這些時間跨度尺度比人類的時間尺度或我們能觀察到的要大得多。這項研究類似於古生物學家試圖從稀疏的化石記錄中，重建動物的進化過程。
博科園｜研究/來自：麻省理工學院
參考期刊《天體物理學》
DOI: 10.3847/2041-8213/ab5b07
博科園｜科學、科技、科研、科普