近日，复旦大学物理学系、复旦大学天文与天体物理中心袁峰、季索清课题组在星系团气体演化研究方面取得突破，相关成果发表于国际学术期刊《Science Advances》。 星系团是宇宙中最大的引力束缚系统，其内部充满高温气体。理论上，这些气体会不断辐射能量并逐渐冷却，形成冷气体并触发恒星形成，这一过程被称为“冷却流”。然而，观测表明，实际冷气体含量及恒星形成率均显著低于理论预期，这一差异即“冷却流问题”。 目前普遍认为，星系团中心的超大质量黑洞活动（即活动星系核，AGN）的反馈在抑制冷却流中发挥了关键作用。黑洞在吸积物质过程中释放能量，以辐射、喷流和风的形式注入周围介质，从而影响气体的热状态。然而，之前的工作采用的AGN反馈模型比较唯像，自由参数比较多，且一些参数也与理论或观测约束存在较大偏差；另外，这类模型通常未考虑AGN的风。结果，即便通过调节多种参数，模型也无法完全解决冷却流问题。 本研究采用该课题组近年来持续发展的用于研究星系尺度AGN反馈的数值模拟框架MACER（图1），对类英仙座星系团系统进行了流体动力学模拟。与以往模型相比，MACER具有更坚实的物理基础：1）黑洞吸积率的确定要准确得多；2）同时考虑了物理上自恰的喷流与风；3）喷流和风的物理性质不是由自由参数决定的，而是基于小尺度吸积与喷流的理论研究及观测结果。 图1：星系团中心黑洞发出的喷流与风相互作用，导致KH不稳定性，该不稳定性产生了很强的湍流，湍流能量的耗散将喷流和风的动能转化成了星系团中气体的热能，成功抑制了星系团中的冷却流。取自He te al. Sci. Adv., aed6394 (2026), Figure 1. 模拟结果表明，在同时考虑喷流与风的情况下，两者的相互作用能够在星系团核心区域激发很强的湍流，提高AGN能量向周围气体的传递效率。在这一机制下，模型有效抑制了气体的过度冷却，较好地再现了观测中的冷气体质量、恒星形成率、黑洞质量演化（图2）、以及气体热力学分布（图3）等性质，整体结果与观测一致。 图2: 三种模型中关键物理量随时间的演化以及与观测的对比。 顶栏：恒星形成率（SFR）。 黑色虚线和灰色阴影区域分别标记了 NGC 1275的恒星形成率及其 68% 的置信区间。第二栏：冷气体质量。 灰色条带表示在英仙座中观测到的分子气体质量。 恒星形成率和冷气体质量的观测值代表了类英仙座星系团的上限。 第三栏：用爱丁顿光度为单位的活动星系核热光度。 第四栏：黑洞质量与爱丁顿光度。 底栏：以质量流量加权的吸积流外边界。只有JetWind模型成功再现了冷气体质量、恒星形成率、黑洞质量的观测范围。取自He te al. Sci. Adv., aed6394 (2026), Figure 2. 图3: 星系团内介质熵的径向分布及其与观测的对比。阴影区域表示模拟结果剖面的 10% 到 90% 百分位分布。 黑色虚线和红色条带分别表示来自 ACCEPT星系团样本观测结果的中位数和一个标准差剖面。 点划线和点线分别代表星系团外部和内部不同的幂律拟合曲线。只有JetWind模型在其绝大部分的演化时间里再现了观测到的熵分布。取自He te al. Sci. Adv., aed6394 (2026), Figure 3. 该成果为理解星系团中气体的热力学演化及AGN反馈机制提供了新的思路，也为相关数值模拟研究提供了参考。 该研究由复旦大学袁峰、季索清课题组牵头完成，袁峰和季索清为文章共同通讯作者，第一作者为他们在中国科学院上海天文台指导的研究生。合作者包括美国马萨诸塞大学阿默斯特分校黎原教授、上海交通大学徐海光教授以及美国阿拉巴马大学孙明教授课题组。研究工作得到了国家自然科学基金重大项目等项目的支持。 论文链接： https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aed6394 https://macer-project.github.io
