高对比度成像揭示星系中的未知结构

艺术家对带有高能喷流的巨型星系的印象。 学分:阿尔玛(ESO/NAOJ/NRAO)

由于实现了高成像动态范围,日本的一个天文学家团队首次发现了一个微弱的无线电发射,覆盖了一个巨大的星系,其中心有一个高能黑洞。 无线电发射是从中心黑洞直接产生的气体中释放出来的。 该团队希望通过将相同的技术应用于其他类星体来了解黑洞怎样与其宿主星系相互作用。

3C273距离地球24亿光年,是一个类星体。 类星体是一个星系的核心,据信它的中心有一个巨大的黑洞,它吞噬周围的物质,释放出巨大的辐射。 与其平淡无奇的名字相反,3C273 是有史以来发现的第一个类星体,也是最亮的,也是研究得最好的。 它是望远镜最常观察到的光源之一,因为它可以用作天空中位置的标准:换句话说,3C273 是一个射电灯塔。

当您看到汽车的前照灯时,耀眼的亮度让您很难看到较暗的环境。 当你观察明亮的物体时,望远镜也会发生同样的事情。 动态范围是图像中最明亮和最暗色调之间的对比。 您需要一个高动态范围来显示望远镜单次拍摄中的亮部和暗部。 ALMA 可以定期获得高达 100 左右的成像动态范围,但市售数码相机通常具有数千的动态范围。 射电望远镜不太擅长观察具有显着对比度的物体。

3C273 几十年来一直以最著名的类星体而闻名,但知识一直集中在它明亮的中央核上,大多数无线电波都来自这里。 然而,对其宿主星系本身知之甚少,因为微弱而弥散的星系与 3C273 核的结合需要如此高的动态范围才能检测到。 研究小组使用一种称为自校准的技术来减少无线电波从 3C273 泄漏到银河系,该技术使用 3C273 本身来校正地球大气波动对望远镜系统的影响。 他们达到了 85000 的成像动态范围,这是 ALMA 对河外物体的记录。


哈勃太空望远镜 (HST) 观测到的 Quasar 3C273(左)。 过度的亮度导致由望远镜散射的光产生的径向泄漏光。 右下方是中心黑洞周围的气体释放的高能射流。 | ALMA 观察到的 3C273 的射电图像,显示了核周围微弱和扩展的射电辐射(蓝白色)(右)。 明亮的中心光源已从图像中减去。 可以看到与左侧图像相同的喷气机呈橙色。 图片来源:Komugi 等人,NASA/ESA 哈勃太空望远镜

由于实现了高成像动态范围,研究小组发现了微弱的无线电发射,在 3C273 的宿主星系上空延伸了数万光年。 类星体周围的无线电发射通常表明同步加速器发射,它来自高能事件,如恒星形成的爆发或从中心核发出的超快喷流。 3C273 中也存在同步加速器喷流,如图像右下方所示。 同步加速器发射的一个基本特征是其亮度随频率而变化,但该团队发现的微弱无线电发射具有恒定的亮度,而与无线电频率无关。 在考虑了替代机制后,研究小组发现这种微弱而扩展的无线电发射来自星系中的氢气,由 3C273 原子核直接提供能量。 这是第一次发现来自这种机制的无线电波在类星体的宿主星系中延伸数万光年。 几十年来,天文学家在这座标志性的宇宙灯塔中一直忽视了这一现象。

那么为什么这个发现如此重要呢? 来自类星体核的能量是否强大到足以剥夺银河系形成恒星的能力,这一直是银河系天文学中的一个大谜。 微弱的无线电发射可能有助于解决它。 氢气是创造恒星的必要成分,但如果如此强烈的光照射在氢气上,氢气被分解(电离),就不可能诞生恒星。 为了研究这个过程是否发生在类星体周围,天文学家使用了电离气体发出的光。 使用光学光的问题是宇宙尘埃在到达望远镜的途中会吸收光线,因此很难知道气体释放出多少光。

此外,负责发出光的机制很复杂,迫使天文学家做出很多假设。 由于简单的过程,本研究中发现的无线电波来自相同的气体,不会被灰尘吸收。 使用无线电波可以更容易地测量由 3C273 的原子核产生的电离气体。 在这项研究中,天文学家发现,来自 3C273 的至少 7% 的光被宿主星系中的气体吸收,产生了相当于太阳质量 10-1000 亿倍的电离气体。 但是,3C273在恒星形成之前就含有大量气体,所以整体上看,恒星的形成并没有受到原子核的强烈抑制。

“这一发现为研究以前通过光学观察解决的问题提供了一条新途径,”工学院大学副教授、《天体物理学杂志》上发表的该研究的主要作者 Shinya Komugi 说。 “通过将相同的技术应用于其他类星体,我们希望了解一个星系是怎样通过与中心核的相互作用而演化的。”