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哈勃太空望远镜拍摄的位于半人马座星系团中心的椭圆星系NGC4696的图像。这张图像显示了环绕该星系中心的尘埃丝。图片来源：NASA、ESA哈勃、A.Fabian

一个国际团队利用詹姆斯韦布空间望远镜找到了图像证据，这使天文学家更接近解开关于黑洞的一个长期谜团。

几十年来，天文学家一直面临着一个关于大质量星系中心的谜题：当一个超大质量黑洞自身强大的喷流加热为其提供物质的周围气体时，它如何还能持续吸积物质呢？詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）的最新观测让这一过程变得清晰得多。

这些图像为我们提供了迄今最清晰的观测视角，让我们得以看到将星系炽热的大气与旋转盘连接起来的气体细丝，而旋转盘为星系中心的超大质量黑洞提供物质。

由蒙特利尔大学牵头、密歇根州立大学参与的一个国际合作团队开展了观测并分析了数据。研究结果发表在《天体物理学杂志通讯》上，解答了天文学家数十年来一直苦苦思索的一个问题。

詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）的观测为我们提供了数千条新事实和测量数据，我可以说这些信息多得让人应接不暇，密歇根州立大学（MSU）物理学与天文学杰出教授梅根多纳休说道，我们正携手合作，解决有关这些黑洞如何获取物质以及它们如何与宿主星系相互作用的天体物理学问题。

黑洞喷流产生了吸积悖论

几乎每个大型星系的中心都包含一个超大质量黑洞（SMBH），其质量是太阳的数百万甚至数十亿倍。当这些黑洞中的一个主动吞噬周围物质时，它就会变成天文学家所说的活动星系核（AGN）。

活跃的黑洞能向周围发射强大的能量喷流。这些喷流可以重塑其宿主星系，抑制新恒星的形成，并影响星系的演化方式。

星系NGC4696中心围绕其超大质量黑洞的特写镜头。背景的灰度图像来自哈勃太空望远镜。叠加的彩色图显示了被詹姆斯韦伯太空望远镜NIRSpec仪器通过帕邢α线追踪到的落入黑洞的气体分布。在气体中可以看到一个S形漩涡。图片来源：NASAESACSASTScIJ.HlavacekLarrondo等人。

但这就产生了一个明显的矛盾。如果喷流加热了黑洞周围的气体，那么它们最终应该会切断黑洞继续进食和成长所需的物质来源。

主流解释是，一些被加热的气体最终会冷却，凝结成长且窄的丝状结构，然后回落至星系中心。这将形成一个自我调节的循环，在这个循环中，黑洞既会破坏自身的燃料供应，最终又会补充这一供应。

为了探究这一想法，研究人员将詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）对准了NGC4696，它是半人马座星系团的中心星系。这个密集的星系团距离地球约1.45亿光年，被认为是研究活动星系核（AGN）运作机制的最佳地点之一。

詹姆斯韦布空间望远镜追踪到气体进入吸积盘

研究人员利用詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）的近红外光谱仪（NIRSpec）近8小时的观测数据，绘制了黑洞影响范围内深处气体的运动图。这些观测分辨出了跨度约30光年的特征——与跨度数十万光年的星系相比，这一尺度极其微小。

这些地图显示，中心附近的一个S形漩涡实际上是一个环绕超大质量黑洞的旋转气体盘。该气体盘直径近800光年，盘中物质的移动速度高达每秒600公里。

最重要的是，这个盘似乎直接与延伸到星系中的一条大纤维相连。观测结果显示，气体沿着这条纤维移动，并进入为黑洞提供物质的旋转盘。

这些观测结果共同帮助完善了更广泛的物质吸积循环。黑洞释放的喷流将能量注入周围的气体中。随着时间的推移，部分气体冷却、变得不稳定，并凝聚成宽度可能仅有几百光年，但长度却能延伸数千光年的细丝状结构。

随后，磁力会减缓下落气体的旋转并引导其向内移动。物质会聚集在黑洞周围的一个旋转盘中，这个盘为黑洞提供物质，继而黑洞又会喷射出新的喷流，如此循环往复。

模拟支持进食周期

研究人员还通过最先进的计算机模拟对这一解释进行了验证。模拟中的气体表现与詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）观测到的物质非常相似，为所提出的物质供给过程提供了独立的支持。

密歇根州立大学物理与天文学教授马克沃伊特表示：参与这个项目真的很令人兴奋。我们密歇根州立大学团队的计算预测，磁场应该能通过将冷气体引导至宇宙中最大的黑洞来为其提供‘燃料’，而在这些詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）图像中看到这一现象真是令人惊叹。

资助方：加拿大航天局

相关知识

超大质量黑洞是一种质量极其巨大的天体，其质量可达太阳的数百万甚至数十亿倍。它们通常位于星系中心，拥有强大的引力，能吞噬周围的物质和光线。超大质量黑洞的形成机制尚不完全明确，研究它们有助于了解星系的演化和宇宙的奥秘。

BY: Michigan State University

FY: AI

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