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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。这张图像展示了环绕星系中心的尘埃细丝。图片来源：美国国家航空航天局、欧洲航天局哈勃、A.法比安

一个使用詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）的国际团队已经发现了摄影证据，这让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：当超大质量黑洞自身强大的喷流加热了为其提供物质的周围气体时，它如何能持续吸积物质？詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）的观测正让这一过程变得更加清晰可见。

这些图像为人们提供了迄今为止最清晰的视角，让我们得以观察连接星系炽热大气与旋转盘的气态细丝，而这个旋转盘会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国际合作团队开展了观测并分析了数据。相关结果发表于《天体物理学杂志通讯》，解答了天文学家数十年来一直困扰的问题。

詹姆斯韦伯空间望远镜的观测为我们提供了数千个新的事实和测量数据，我可以说这需要大量时间去消化，密歇根州立大学物理学与天文学杰出教授梅根多纳休表示。我们正在共同努力解决天体物理学的问题，比如这些黑洞如何获取燃料，以及它们如何与宿主星系相互作用。

黑洞喷流会产生吸积悖论

几乎每个大星系的中心都包含一个超大质量黑洞，即SMBH，其质量比太阳大数百万甚至数十亿倍。当其中一个黑洞积极吞噬周围物质时，它就会变成天文学家所说的活动星系核，即AGN。

活跃的黑洞可以向其周围环境发射强大的能量喷流。这些喷流可以重塑宿主星系，抑制新恒星的形成，并影响星系的演化。

一张星系NGC4696中心围绕其超大质量黑洞的特写照片。背景灰度图像来自哈勃太空望远镜。叠加的彩色地图显示了詹姆斯韦布太空望远镜近红外光谱仪（NIRSpec）仪器通过帕邢α线追踪到的落入黑洞的气体分布情况。可以看到气体呈现出一个S形漩涡。图片来源：美国国家航空航天局欧洲航天局加拿大航天局太空望远镜科学研究所J.赫拉瓦切克拉伦多等人。

但这就产生了一个明显的矛盾。如果喷流加热黑洞周围的气体，它们最终应该会切断黑洞继续吸积和生长所需的物质。

主流解释是，部分受热气体最终会冷却，凝结成长而窄的丝状结构，并落回星系中心。这将形成一个自我调节的循环，在这个循环中，黑洞既会扰乱自身的燃料供应，最终又会对其进行补充。

为了研究这一想法，研究人员将詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）对准了半人马座星系团的中心星系NGC4696。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）运行机制的最佳地点之一。

詹姆斯韦伯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。这些观测分辨出了约30光年宽的特征——与跨度达数十万光年的星系相比，这一尺寸极其微小。

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。这个气体盘直径近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至星系内部的其中一条大型丝状结构相连。观测结果显示，气体沿着该丝状结构移动，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，并凝聚成丝状结构，这些丝状结构可能只有几百光年宽，但却能延伸数千光年。

随后，磁力会减慢下落气体的旋转速度并引导其向内移动。物质会在黑洞周围聚集形成一个旋转盘，这个盘为黑洞提供燃料，黑洞则喷射出新的喷流，从而再次开启这一循环。

模拟实验支持了进食周期。

研究人员还利用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）观测到的物质十分相似，为所提出的物质供给过程提供了独立的支持。

参与这个项目真的非常令人兴奋，密歇根州立大学物理与天文学教授马克沃伊特说，我们密歇根州立大学团队的计算结果预测，磁场应该会通过引导冷气体流向宇宙中最大的黑洞，从而为它们提供物质，而能在这些詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）的图像中看到这一现象正在发生，实在是太惊人了。

资助方：加拿大空间局

相关知识

詹姆斯韦布空间望远镜是由美国国家航空航天局、欧洲空间局和加拿大空间局联合研制的红外太空望远镜，2021年12月发射升空，运行在日地拉格朗日L2点。它旨在观测宇宙早期形成的星系，研究恒星与行星系统的诞生过程，探索系外行星大气特征等，帮助人类更深入了解宇宙的起源与演化。

BY: Michigan State University

FY: AI

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