五十年探索天文学家终发现银河系黑洞隐藏物

天文学家们发现了人们长期寻找的证据，证明银河系中心的超大质量黑洞正在产生风，揭示了它与周围环境相互作用的一个此前未被发现的方面。图片来源：Shutterstock

一项持续数十年的研究发现了银河系中心黑洞存在微弱外流的迹象。

银河系中心黑洞中一直缺少某种东西。

半个多世纪以来，天文学家一直在寻找一种标志性的风——理论认为这种风一定是从位于银河系中心的超大质量黑洞人马座A（SgrA）吹出的。尽管望远镜越来越强大，且经过了数十年的观测，但这种预测中的外流仍然难以捕捉，令人沮丧。

如今，美国西北大学的研究人员表示，他们终于找到了它，这为了解银河系神秘核心的行为提供了新的线索。

对人马座A失踪风的五十年探索

通过捕捉到迄今为止SgrA周围区域最清晰的视图，研究人员解决了天文学中最长期存在的谜团之一。他们的发现也为了解银河系中心发生的物理过程提供了新的见解。

这项研究发表在《天体物理学杂志快报》上。

除非黑洞存在于完美真空中，否则它必定会以某种方式吹出风，该研究的联合负责人、西北大学的马克戈尔斯基说。而宇宙中没有完美真空。通过新的观测，这是我们第一次获得足够清晰的视野来看到这种风的印记。我们查看数据后说：‘就是它了。这就是大家50年来一直在寻找的东西。’

这张合成图像显示了从人马座A（SgrA，即银河系中心的超大质量黑洞）向外吹的风的证据。图像中心的白点显示的是人马座A。橙色部分是来自智利阿塔卡马大型毫米亚毫米阵列（ALMA）射电望远镜的数据，绘制了图像中由一氧化碳组成的冷气体的位置。蓝色部分是来自美国国家航空航天局（NASA）钱德拉X射线天文台的X射线数据。在ALMA数据中表现为冷气体缺失的大型锥形空洞，在钱德拉数据中被发射X射线的热气体填充。研究人员认为，从人马座A吹出的炽热高能风通过吹走冷气体或加热冷气体形成了这一结构。图片来源：NASACXC西北大学M.Gorski；射电数据：NASACXCSAOK.Arcand和P.Edmonds

我们是第一个证明离黑洞非常非常近的分子气体正在为其提供物质的团队，与戈尔斯基共同领导这项研究的埃琳娜穆尔奇科娃说。这种风并不强烈，其方向可能会随时间变化。这表明我们的黑洞并非独一无二，我们在宇宙中的位置也并非独一无二。

黑洞风如何塑造星系

Gorski作为研究助理教授在西北大学跨学科探索与天体物理研究中心（CIERA）研究星系演化。Murchikova是黑洞天体物理领域的专家，担任西北大学温伯格文理学院的物理与天文学助理教授，同时也是CIERA的成员。

银河系中心的合成图像，结合了来自ALMA的射电数据和来自Chandra的X射线数据。图片来源：ESOD.Minniti等人。

虽然黑洞以吸积附近物质而闻名，但它们也能向外喷射物质。多年来，科学家们一直预测，正在活跃吸积物质的黑洞会释放出高能外流。当气体螺旋状向内运动时，它会加速到接近光速的速度。由此产生的能量和压力会将部分物质以风或喷流的形式推回太空。

天文学家此前已发现SgrA在过去曾爆发的迹象，但持续外流的证据一直难以找到。西北大学团队认为，这是因为该黑洞目前处于相对平静的状态，且极难观测。

穆尔奇科娃说：要观测我们银河系的黑洞，我们必须穿过银河系平面去看。这意味着我们得透过气体、尘埃和电离结构去观测，而要轻易穿透所有这些物质并不容易。

NASA钱德拉X射线天文台的X射线数据。图片来源：NASACXC西北大学M.Gorski；无线电数据来源：NASACXCSAOK.Arcand和P.Edmonds

阿塔卡马大型毫米波亚毫米波阵列揭示了银河系中心的最清晰视图

观测技术的进步最终让该团队得以以前所未有的细节研究这片区域。利用智利阿塔卡马大型毫米波亚毫米波阵列（ALMA）的五年深度观测数据，戈尔斯基和穆尔奇科娃制作出了迄今为止关于SgrA周围冷分子气体的最详细图像。

这张图像捕捉到了位于黑洞仅1秒差距（约3光年）范围内的气体。在应用校准技术去除黑洞明亮的射电辐射后，研究人员制作出了比之前版本深100倍、清晰80倍的地图。这一增强视图揭示了此前从未被观测到的结构。

智利阿塔卡马大型毫米亚毫米阵列（ALMA）射电望远镜的数据，绘制了图像中由一氧化碳组成的冷气体的位置。图片来源：NASACXC西北大学M.Gorski；射电部分来源：NASACXCSAOK.Arcand和P.Edmonds

一个新发现的特征立刻引起了注意。研究人员发现了一个大型锥形空腔，长度近1秒差距（约3光年），跨度45度，其中不含冷分子气体。他们得出结论，最可能的解释是源自SgrA的热风。当风穿过该区域时，它要么将冷气体推开，要么将其加热到无法探测的程度。

戈尔斯基说：如果你从黑洞吹出热物质，它不会想和冷物质共存。它要么会把冷物质推出去，要么会把冷物质加热。而且，如果温度太高，你就再也看不到冷气体了。

巨大锥形空腔指向黑洞活动

恒星也会产生恒星风，但研究团队发现，仅靠恒星风无法形成如此大的空旷区域。即使是附近恒星的能量输出总和也不够。

这是物质的巨大缺失，戈尔斯基说。我们计算了形成这个空洞所需的能量。它超过了该区域恒星所能提供的能量。基本上，必须有来自超大质量黑洞的能量输入。而且，如果你顺着锥体的形状看，它直接指向那个黑洞。

美国国家航空航天局钱德拉X射线天文台拍摄的银河系中心图像。图片来源：NASACXCUMassD.Wang等人。

在宣布研究结果之前，研究人员寻求了进一步的确认。他们将自己的结果与美国国家航空航天局钱德拉X射线天文台的先前观测结果进行了比较，该天文台在同一区域检测到了明亮的X射线发射。X射线数据与ALMA观测中看到的无气体锥状结构相吻合。

异常的主张需要异常的证据，戈尔斯基说。我们想确保我们看到的不只是某种成像伪影。然后，钱德拉的X射线图像完美地契合了。分子特征排列一致。

钱德拉X射线数据证实了这一发现

当你发现了以前没人见过的东西时，第一个闪过脑海的想法不是‘天啊，我们有了新发现’，而是‘天啊，我的分析哪里出问题了？’但当我们把我们的图像和X光图像叠加在一起时，一切开始变得合理了。

根据风对附近电离气流的影响范围，研究团队估计该外流活动至少已持续20000年。研究结果还表明，与其他星系中的许多超大质量黑洞相比，SgrA相对安静。

穆尔奇科娃说：大多数其他星系的大部分生命都处于一种并不特别活跃的状态。但我们只能在它们处于‘烟火阶段’时看到它们。研究处于烟火阶段的黑洞非常有吸引力，但这实际上并非它们的主导状态。SgrA最终为我们提供了一个观察黑洞处于这种安静状态时生命历程的窗口。

参考文献10.384720418213ae63cf

这项研究得到了温伯格文理学院和CIERA的支持。

相关知识

黑洞是宇宙中引力极强的天体，由大质量恒星耗尽核燃料后坍缩形成致密奇点。它的引力场强大到连光都无法逃逸，故无法直接观测，但可通过周围物质被吸积时发出的辐射、引力透镜效应等间接探测。研究黑洞有助于深化对引力本质、时空结构及宇宙演化的认识。

BY: Amanda Morris, Northwestern University

FY: AI

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