天文學家可能正逐步解開宇宙中最大星系長期以來的謎團。來自X射線成像與光譜任務（XRISM）的觀測提供了新證據，顯示超大質量黑洞可能阻止這些巨型星系形成預期數量的恆星。
根據現有模型，最巨大的星系應該擁有比實際觀測到更多的恆星質量。這種差距暗示某種機制抑制了恆星形成。密西根大學博士生向欣（Xin "Cindy" Xiang）利用XRISM數據調查其中一個主要解釋，並發現直接指向黑洞的證據。
大多數人知道黑洞是重力強大到連光線都無法逃脫的天體。然而，黑洞周圍也能形成極為明亮的區域。當氣體和塵埃螺旋狀向內盤旋時，會形成一個吸積盤，釋放大量能量，包括強烈的X射線。
吸積盤是宇宙中能量最強的環境之一。物質向黑洞落下時，因重力和摩擦加熱成極熱的等離子體。同時，吸積盤也能發射強大的物質外流風。
這些風力足以將氣體掃出星系。由於氣體是形成新恆星的原料，此類外流可能大幅減少未來的恆星形成。
XRISM的數據支持這種可能性。該任務由日本宇宙航空研究開發機構主導，與NASA及歐洲太空總署合作。
向欣表示：「過去沒有XRISM，我們只能看到外流的粗略特徵，但要回答重要問題，必須解析細節。它們的結構和幾何形狀是什麼？風是如何以及何時被發射的？」
XRISM於2023年發射，於2024年秋季開始科學觀測。其能量解析度約為前任任務的十倍，使天文學家能更細緻地研究黑洞環境。
向欣和合作團隊聚焦於NGC 4151，這是一個距離地球約五千萬光年的明亮星系。其中心有一個活躍星系核（AGN），超大質量黑洞積極吞噬物質並產生明亮的吸積盤，使NGC 4151成為研究黑洞驅動外流的理想實驗室。
向欣說：「有了XRISM，我們以最高解析度觀測最亮的AGN，獲得迄今為止最豐富的吸積盤外流資訊。」
她與密西根大學天文學教授Jon Miller合作，先前證明NGC 4151吸積盤的風速足以將物質從系統中驅逐，並確定驅動這些外流的機制可能是磁離心驅動，類似觸發太陽耀斑的過程。
追蹤最快的黑洞外流
在加州帕薩迪納舉行的第248屆美國天文學會會議上，向欣提出一種新方法，用以判斷NGC 4151強大風何時活躍。此方法有助研究者識別其他星系類似外流，並增進對宇宙中AGN的理解。
由於AGN風會隨時間劇烈變化，向欣需要一種方式精確定位最快、最強外流的發生時刻。她分析了數百天XRISM對NGC 4151的觀測資料。
她的研究聚焦於星系X射線亮度在耀斑期間的變化及其後數小時的演變。
除了測量亮度，向欣還研究X射線是偏硬還是偏軟，這類似於可見光的顏色。她將這些測量結合成一個新指標，稱為「色強指數」。Miller建議簡稱為「cindicity」。
向欣說：「部分原因是我的名字是Cindy，但這個指標未來可以讓你告訴我你觀測源的cindicity，我就能告訴你看到快速外流的機率。」
黑洞與星系風的新時間連結
分析揭示驚人模式：在NGC 4151中，最強且快速的風出現在X射線偏硬但相對較暗的時候。
最快的外流並非在X射線耀斑期間發生，而是通常在耀斑後約一萬秒（不到三小時）出現。這是首次直接將X射線活動與黑洞吸積盤強大風的時間關聯建立起來。
透過確定外流發生時刻，天文學家獲得一項寶貴新工具，能研究黑洞如何影響星系的成長與演化，並可能解釋為何宇宙中最巨大的星系缺少大量恆星。
