活跃星系中心的黑洞馈送和反馈

国家天文台助理教授 Takuma Izumi 领导的国际研究小组以高分辨率(约 1 光年)观测了圆规座星系的活动星系核，这是距离银河系最近的主要星系之一。此次观测是由智利阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA)天文台实现的。

这一突破标志着世界上首次对所有相气体(包括等离子体、原子和分子)中的气体流动及其附近超大质量黑洞的结构进行了如此规模的定量测量。如此高分辨率使研究小组能够捕获流向超大质量黑洞的吸积流，揭示这种吸积流是由一种称为“引力不稳定”的物理机制产生的。此外，研究小组还发现，这种吸积流的很大一部分对黑洞的生长没有贡献。相反，大部分气体以原子或分子流出的形式从黑洞附近排出，并返回到气盘，再次参与到黑洞的吸积流中，就像水在喷泉中循环利用一样。这些发现代表了对超大质量黑洞生长机制的更深入了解的关键进展。

这些观测结果于 2023 年 11 月 2 日发表在 《科学》杂志 上。

质量超过太阳一百万倍的“超大质量黑洞”存在于许多星系的中心。但天文学家长期以来一直在思考它们形成的机制。正如之前研究中概述的，一种提出的机制表明，当黑洞向宿主星系中心引力时，气体会吸积到黑洞上。

当气体接近超大质量黑洞时，黑洞的强烈引力会导致气体加速。由此产生的气体颗粒之间摩擦力的增加导致气体加热到高达数百万度的温度，并导致发出明亮的光。被称为活动星系核(AGN)的亮度有时可以超过星系中所有恒星的总光。有趣的是，一部分落向黑洞的气体(吸积流)被认为被活跃星系核的巨大能量吹走，导致流出。

之前的理论和观测研究已经为从十万光年尺度到中心几百光年尺度的气体吸积机制提供了详细的见解。然而，气体吸积发生在距离银河系中心几十光年的地方。这种有限的空间尺度阻碍了对吸积过程的进一步了解。例如，为了定量地了解黑洞的增长，有必要测量吸积流量(流入了多少气体)并确定排出的气体(等离子体、原子气体、分子气体)的数量和类型如此小规模的资金外流。不幸的是，到目前为止，观察性理解还没有取得显着进展。

泉指出：“对多相气体的观测可以更全面、更透彻地了解黑洞周围物质的分布和动力学，我们的观测标志着活动星系核中多相气体观测所达到的最高分辨率。”

Izumi 和他的同事最初首次捕获了从银河系中心延伸数光年的高密度气盘内流向超大质量黑洞的吸积流(如图 1 中的绿色部分所示) 。由于该区域规模较小且银河系中心附近气体运动复杂，识别这种吸积流长期以来一直是一个挑战。然而，研究小组确定了前景分子气体吸收背景中明亮的活动星系核的光的位置。详细分析表明，这种吸收材料正在远离地球。由于吸收材料始终位于活动星系核和地球之间，这表明该团队已经成功捕获了流向活动星系核的吸积流。

该研究还阐明了引起这种气体吸积的物理机制。观察到的气盘表现出的引力非常大，以至于无法通过气盘运动计算出的压力来维持。当这种情况发生时，气盘在自身重量的作用下塌陷，形成复杂的结构并失去在银心保持稳定运动的能力。因此，气体迅速落向中央黑洞，这种现象在星系中心被称为“引力不稳定”。

此外，这项研究还促进了对活动星系核周围气体流动的定量理解。通过考虑观察到的气体的密度和吸积流的速度，研究人员能够计算出气体供应到黑洞的速率。令人惊讶的是，这个速率被发现比维持活跃星系核所需的速率高出 30 倍。换句话说，银河系中心周围1光年尺度的吸积流大部分对黑洞的生长没有贡献。

那么，这些多余的天然气去了哪里呢?使用 ALMA 对所有相气体(中密度分子、原子和等离子体;对应于图 1 中的、蓝色和粉色区域)进行高灵敏度观测，检测到来自活动星系核的流出物。定量分析表明，流向黑洞的大部分气体以原子或分子流出的形式被排出。然而，由于速度缓慢，它们无法逃脱黑洞的引力，最终回到了气盘中。在那里，它们被回收成流向黑洞的吸积流，在银河系中心完成了令人着迷的气体回收过程(如图2所示)。

回顾 Takuma Izumi 重申的成就，“在活跃增长的超大质量黑洞周围仅几光年的区域中探测吸积流和流出，特别是在多相气体中，甚至破译吸积机制本身，都是该领域的巨大成就。寻求揭示更多有关超大质量黑洞的信息。” 展望未来，他继续说道：“为了全面了解宇宙历史中超大质量黑洞的生长过程，有必要研究距离我们较远的各种类型的超大质量黑洞。这需要高分辨率和高灵敏度观测，我们对 ALMA 的继续使用以及即将推出的下一代大型射电干涉仪抱有很高的期望。”