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椭圆星系NGC4696的图像，该星系位于半人马座星系团中心，由哈勃太空望远镜拍摄。这张图像显示了星系中心周围的尘埃丝。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（JWST）发现了图像证据，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，天文学家一直面对着大质量星系中心的一个谜题：一个超大质量黑洞在其自身强大喷流加热周围为其提供物质的气体时，是如何继续吸纳物质的呢？詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）的最新观测结果让这一过程变得更加清晰可见。

这些图像为我们提供了迄今为止最清晰的视角，展示了将星系的炽热大气与旋转盘连接起来的气体细丝，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。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困扰的问题。

詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）的观测为我们提供了数以千计的新事实和测量数据，我可以说，要消化这些内容可真不容易，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，我们都在齐心协力，试图解开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谜题。

黑洞喷流产生了一个吸积悖论

几乎每个大型星系的中心都包含一个超大质量黑洞（简称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（简称AGN）。

活动黑洞会向其周围环境喷射出强大的能量喷流。这些喷流能够重塑宿主星系，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。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利用詹姆斯韦布太空望远镜近红外光谱仪（NIRSpec）通过帕邢α线追踪到的落入黑洞的气体分布。可以看到气体呈现出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.赫拉瓦塞克拉隆多等人。

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，它们最终应该会切断黑洞继续吸积和生长所需的物质。

主流解释认为，部分受热气体最终会冷却，凝结成长而细的丝状结构，并落回星系中心。这将形成一个自我调节循环，在这个循环中，黑洞既会扰乱自身的燃料供应，最终又会补充它。

为了验证这一想法，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。这个致密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（JWST）追踪到了流入吸积盘的气体

利用詹姆斯韦布空间望远镜近红外光谱仪（JWST’sNIRSpec）近八小时的观测数据，研究人员绘制了黑洞引力影响区域内深处气体的运动图。这些观测分辨出了大约30光年大小的特征——与跨度达数十万光年的星系相比，这极其微小。

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，其中物质的移动速度高达每秒600公里。

最重要的是，该圆盘似乎直接与一条延伸至星系中的大型丝状结构相连。观测显示，气体沿着那条丝状结构流动，并进入为黑洞提供物质的旋转圆盘。

综合来看，这些观测结果有助于完善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，部分气体会冷却、变得不稳定，并凝聚成丝状结构。这些丝状结构宽度可能仅有几百光年，但长度却能延伸数千光年。

磁力随后减慢下落气体的旋转速度并引导其向内。物质在黑洞周围形成一个旋转的盘状结构，这个盘为黑洞提供燃料，黑洞则发射出新的喷流，从而开始新一轮的循环。

模拟支持进食周期

研究人员还利用最先进的计算机模拟测试了这一解释。模拟中的气体行为与JWST观测到的物质非常相似，为提出的吸积过程提供了独立支持。

参与这个项目真的很令人兴奋，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预测，磁场应该能通过将冷气体引导向宇宙中最大的黑洞来为它们提供‘燃料’，而在这些JWST图像中看到这一现象真是太神奇了。

资金来源：加拿大空间局

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，拥有强大引力，连光也无法逃脱。凭借吸积周围物质形成明亮吸积盘被观测到，对星系的形成、演化和结构有着深远影响。

BY: Michigan State University

FY: AI

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