歷經(jīng)半個世紀搜尋，科學(xué)家終于發(fā)現(xiàn)銀河系黑洞吹出的黑洞風(fēng)

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原作：羅伯特·李

翻譯：陳浩

校譯：王婧彧、申振宇、牧夫校對組

編排：毫秒

后臺：李子琦

https://www.space.com/astronomy/black-holes/scientists-find-wind-blowing-from-our-milky-ways-black-hole-after-half-century-search-there-it-is

“這就是大家50年來一直在尋找的東西。”

由阿塔卡馬大型毫米/亞毫米波陣列（ALMA）和錢德拉X射線望遠鏡拍攝的銀河系中心景象。

（圖片來源：X射線：NASA/CXC/ Northwestern Univ./M. Gorski；射電波段：ESO/NAOJ/NRAO/ALMA；圖像處理：NASA/CXC/SAO/K. Arcand 和 P. Edmonds；NASA/ UMass/D. Wang 等。）

經(jīng)過50年的搜尋，天文學(xué)家終于發(fā)現(xiàn)了來自銀河系中心超大質(zhì)量黑洞——人馬座A*（Sgr A*）——的強勁風(fēng)暴證據(jù)。這一發(fā)現(xiàn)加深了我們對超大質(zhì)量黑洞周圍以及銀河系中心環(huán)境的理解。

科學(xué)家們長期以來一直認為，黑洞在吞噬物質(zhì)的同時會釋放能量，從而將物質(zhì)從其周圍推開，這一過程被稱為“黑洞風(fēng)”。人馬座A*也是如此，但它攝取的氣體和塵埃極其稀少，若以人的進食量為參照，相當于每百萬年只吃一粒米。

問題在于，科學(xué)家們一直未能搜集到黑洞風(fēng)吹過銀河系中心的證據(jù)。這一謎團在天文學(xué)界懸而未決長達近半個世紀——直至今日才逐漸揭開它的面紗。

“除非黑洞存在于完全真空的環(huán)境中，否則它必然會以某種方式噴射出黑洞風(fēng)，然而在星際空間中也并不存在完美真空。”研究團隊聯(lián)合負責(zé)人、西北大學(xué)研究員馬克·戈爾斯基在一份聲明中表示，“借助新的觀測數(shù)據(jù)，我們首次獲得了足夠清晰的圖像，得以觀察到這種風(fēng)留下的痕跡。我們審查數(shù)據(jù)時不禁感嘆：‘終于找到它了。這就是大家50年來一直在尋找的東西。’”

觀測黑洞風(fēng)，絕非易事。

科學(xué)家們早已知道，正在吸積物質(zhì)的黑洞會驅(qū)動強大的外流，其中包括噴流和黑洞風(fēng)。當落向黑洞的物質(zhì)被加速至接近光速時，會產(chǎn)生壓力將落入的物質(zhì)再推開，從而形成黑洞風(fēng)。此前，人們已在高吸積率黑洞中觀測到這種現(xiàn)象，但在幾乎不“進食”的人馬座A*上卻未曾發(fā)現(xiàn)。這是因為，首先它攝入的物質(zhì)稀少，其次，從我們太陽系的角度去觀測會被銀河系平面所遮擋，因而追蹤這種黑洞風(fēng)是極為困難的。

戈爾斯基在西北大學(xué)的同事、該研究團隊的聯(lián)合負責(zé)人莉娜·穆爾奇科娃指出，科學(xué)家們首次在人馬座A*周圍極近處探測到了為這個超大質(zhì)量黑洞提供物質(zhì)的分子氣體。這一發(fā)現(xiàn)讓科學(xué)家們確認人馬座A*和其它超大質(zhì)量黑洞也是類似的。

“風(fēng)力并不太強勁，而且風(fēng)向也可能隨時間偏移。這表明我們銀河系的黑洞并非獨一無二，我們在宇宙中的位置也并非獨一無二，”穆爾奇科娃補充道。“要觀測我們銀河系的這個黑洞，我們必須透過銀河系的平面進行觀測。這意味著我們必須穿透氣體、塵埃和電離結(jié)構(gòu)來觀察，而要穿透這些物質(zhì)進行觀測非常困難。”

這張銀河系中心的合成圖像，融合了ALMA的射電數(shù)據(jù)和錢德拉天文望遠鏡的X射線數(shù)據(jù)。

（圖片來源：X射線：NASA/CXC/UMass/D. Wang等人；射電：ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)/S. Longmore等人；背景：ESO/D. Minniti等人。）

為了克服這些困難，研究團隊利用了位于智利北部，由66個射電天線陣列組成的阿塔卡馬大型毫米/亞毫米波陣列（ALMA）對銀河系中心進行了五年深度觀測。這些觀測數(shù)據(jù)為人馬座A*周圍約3光年范圍內(nèi)的冷分子氣體提供了迄今為止最清晰的圖像。科學(xué)家們從這些觀測結(jié)果中發(fā)現(xiàn)的最令人震驚的一點是，在這片冷卻的氣體云中存在著一個長達3光年的錐形空洞。他們推測，這個空洞必定是被黑洞風(fēng)中更熱的氣體清掃出來的，這些熱氣體可能將前方的冷氣體推開，也可能將冷氣體加熱。

“如果從黑洞中噴射出高溫物質(zhì)，它不會與低溫物質(zhì)共存，”戈爾斯基說，“它要么會將低溫物質(zhì)擠出去，要么會將其加熱。而且，如果溫度過高，低溫氣體也就不再存在了。”

人馬座A* 周圍的區(qū)域星體密集，雖然這些恒星也會向外噴射物質(zhì)風(fēng)，但研究團隊認為，這些恒星風(fēng)所攜帶的能量不足以雕琢出如此巨大的空洞。

“這表明存在大量物質(zhì)流失。我們計算過形成這個空洞所需的能量，而該區(qū)域的恒星所能提供的能量遠不足以滿足這一需求，”戈爾斯基解釋道。“簡而言之，這必然源于超大質(zhì)量黑洞的能量輸入。而且，如果你順著錐體的側(cè)面形狀看，它正好指向那個黑洞。”

為了再次驗證研究結(jié)果，科學(xué)家們參考了美國宇航局的錢德拉X射線空間望遠鏡對同一區(qū)域的觀測數(shù)據(jù)。

“非同尋常的論斷需要非同尋常的證據(jù)，”戈爾斯基說，“我們想確保自己看到的并非某種成像偽影。錢德拉望遠鏡拍攝的X射線圖像恰好與研究結(jié)果完美契合，分子特征完全吻合。”

通過揭示來自冷氣體空洞區(qū)域的X射線輻射，ALMA的觀測結(jié)果得到了證實。

穆爾奇科娃說，“當你發(fā)現(xiàn)某種前所未見的事物時，腦海中閃過的第一個念頭并不是‘天哪，我們有新發(fā)現(xiàn)’，而是‘天哪，我的分析哪里出錯了？’，但當我們將新的圖像與X射線圖像疊加在一起時，一切就說得通了。”

一張位于銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞“人馬座A*”的圖像。

（圖片來源：EHT合作組）

雖然研究團隊的成果證實，與其它星系中位于明亮而劇烈活動區(qū)域、也就是活動星系核（AGN）中的超大質(zhì)量黑洞相比，人馬座A* 異常平靜，但這股黑洞風(fēng)的活動卻并不是看上去那般無精打采。事實上，科學(xué)家認為它已經(jīng)肆虐了大約2萬年。

“大多數(shù)其它星系在其生命周期的大部分時間里都處于并不特別活躍的狀態(tài)，”穆爾奇科娃說，“但我們只能在它們處于‘煙花綻放’階段時觀察到它們。研究處于‘煙花綻放’階段的黑洞雖然引人注目，但那其實并非它們的主要狀態(tài)。人馬座A* 終于為我們打開了一扇窗口，讓我們得以窺見黑洞處于這種平靜狀態(tài)時的生命歷程。”

責(zé)任編輯：楊宜修

牧夫新媒體編輯部

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圍繞著銀河系超大質(zhì)量黑洞（即人馬座A*或Sgr A*）的一團恒星和氣體。

圖片來源：ESO/D. Ribeiro，MPE GC團隊代表

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