中国科大发现红色类星体驱动外流产生成对的超级气泡

由中国科学技术大学天文学系刘桂琳教授、何志成特任教授、沈璐博士牵头的中美德三国科研人员组成的国际团队，首次观测到红色类星体驱动外流所产生的成对的超级气泡，这些巨大的气泡正处于从星系爆发性逸出的阶段。该成果以“Discovery of spectacular quasar-driven superbubbles in red quasars”为题，于2023年7月13日在线发表于国际知名学术期刊《科学进展》（Science Advances）。

当今星系演化理论的一项重要困难，是大质量星系的实际数量显著低于理论预期，因而需要设定某种机制有效抑制新恒星的形成，从而调节星系的生长。理论研究发现，如果星系在其活跃的“类星体”阶段驱动大量气体外流到宇宙空间，理论和观测可趋于一致，这使得外流机制作为星系演化模型中不可或缺的环节。但由于实测难度大，外流机制长期停留在理论假设层面，直接观测证据非常有限。

刘桂琳教授等团队长期致力于实测活动星系外流，曾于2013年使用位于美国夏威夷的北双子星天文台8米望远镜取得突破，发现中红移高光度类星体普遍存在准球形外流的直接证据，美国天文学会称他们“首次证明活动星系核的反馈发生在3万光年尺度上”，被国际同行称为该领域近年取得显著进展的代表性成果，产生了广泛的国际影响。然而，传统的类星体筛选方式会遗漏富含尘埃、光学波段暗弱的红色类星体，它们在每个宇宙时期都是实际上最明亮的类星体，恰恰很有可能驱动强劲的外流。

有鉴于此，团队利用北双子星望远镜弥补了针对红色类星体的观测，发现目标样本中半数均有显著外流特征（此次发表了其中三个）。这些外流并非此前看到的准球形，而呈现为壮观的巨大超级气泡对，最大的一对延伸超过6万光年，最高视向速度差达到1200千米/秒（极可能脱离星系引力势阱）。这些气泡对是类星体所驱动的外流冲击星系环境中的气体产生，它们正处于从星系高密度环境中“爆发性逃逸（break-out）”的短暂阶段，在快速膨胀同时猛然冲向星系外围的空间。

成对超级气泡的系统发现对于外流研究有独特价值：1.难以可靠证认外流，是观测研究的常见困难，比如外流速度常因投影效应而被严重低估而导致存疑，以及仅凭视向速度场等观测信息甚至难以区分外流和内流等等；相比之下，超级气泡对的存在是相当可靠的外流证据。2.理论研究认为，外流与星系环境气体间的作用会导致不同的观测形态；由于形成气泡会对星系环境参数提出特定要求，所以气泡提供了推算外流能量、评估外流对星系整体演化影响的独特机会。3.我们所在的银河系也有一对超级气泡，它们与本课题之间的科学相关性，有助于深入理解星系演化历史上活跃时期的性质和行为。

超级气泡结构虽有一定数量偶然发现的先例，但在特定类型的星系中系统性发现，在国际上尚无先例。该团队同时开展的数值模拟显示，产生超级气泡的外流气体，其能量足以对星系整体演化产生重要影响。至此，该团队持续十年的系列外流研究，首次运用积分视场光谱技术针对中红移高光度类星体（涵盖了1型、2型和红色类星体）的系统普查得以完成。这一系列工作有望对星系演化图像的完整构建产生深刻影响。

图1. 由 美英加澳等七国共建的国际双子星天文台拥有两台分别位于南北半球的8米望远镜，图示为银河之下位于美国夏威夷的北双子星望远镜 。来源： International Gemini observatory / NOIRLab / NSF / AURA / P. Horálek (Institute of Physics in Opava)

图2.三个红色类星体的超级气泡对，从左至右的三列依次为表面亮度、视向速度和速度弥散的分布图。它们延伸达数万光年，正处于从星系高密度环境中“爆发性逃逸”的短暂阶段，在快速膨胀同时猛然冲向星系外围的空间 。

图3.流体力学模拟成功再现了超级气泡对的形态和气体运动学特征。从左到右依次为模拟的表面亮度、视向速度和速度弥散分布图。