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，这使得外流机制成为星系演化模型中不可或缺的环节。但由于实测难度大，外流长期停留在理论假设层面，直接观测证据非常有限。

该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，该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。

论文第一作者为中国科学技术大学特任副研究员沈璐，天文学系刘桂琳教授、何志成特任教授、约翰·霍普金斯大学Nadia L.Zakamska教授为通讯作者。本项研究得到中国巡天空间望远镜项目、国家自然科学基金、唐仲英基金、中科大重要方向项目培育基金、中科大青年创新重点基金等资助。