JWST捕获超级黑洞进食的惊人证据
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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。
这张图像展示了星系中心周围的尘埃细丝。
图片来源：美国国家航空航天局（NASA）、欧洲航天局哈勃太空望远镜、A.法比安
一个国际团队利用詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）找到了摄影证据，这让天文学家们离解开一个关于黑洞的长期谜团更近了一步。
几十年来，天文学家一直在大质量星系的中心面临一个难题：超大质量黑洞在其自身强大的喷流加热为其提供物质的周围气体时，如何还能不断吸积物质？詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）的新观测让这一过程变得清晰得多。
这些图像为我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体丝状物，而该旋转盘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工作并分析了相关数据。
相关研究成果发表于《天体物理学杂志快报》，旨在解答天文学家长久以来关注的一个重要科学问题。
詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）的观测为我们提供了数千条新的事实和测量数据，我可以说这有很多需要消化吸收，密歇根州立大学（MSU）物理学与天文学杰出大学教授梅根多纳休说，我们都在共同努力解决天体物理学问题，比如这些黑洞是如何获取物质燃料的，以及它们如何与宿主星系相互作用。
黑洞喷流引发吸积悖论
几乎每个大型星系的中心都存在一个超大质量黑洞（SMBH），其质量可达太阳质量的数百万倍甚至数十亿倍。
当这类黑洞积极吸积周围物质时，便形成天文学家所称的活动星系核（AGN）。
活跃的黑洞可以向其周围环境喷射出强大的能量喷流。
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。
背景的灰度图像来自哈勃太空望远镜。
叠加的彩色地图展示了正在落入黑洞的气体分布情况，这些气体是通过詹姆斯韦布太空望远镜近红外光谱仪（NIRSpec）对帕邢α线进行追踪得到的。
可以看到气体呈现出一个S形的漩涡。
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增长所需的物质。
最主要的解释是，一些被加热的气体最终会冷却，凝结成长而窄的丝状物质，然后落回星系中心。
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，最终又会补充这一供应。
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）工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（JWST）近红外光谱仪（NIRSpec）近8小时的观测数据，研究人员对黑洞引力影响范围内深处气体的运动进行了映射。
这些观测分辨出了跨度约30光年的特征——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。
这个气体盘直径近800光年，盘内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。
借助詹姆斯韦布空间望远镜（JWST），研究人员还测量了NGC4696星系中心超大质量黑洞附近物质的运动速度（绿色圆圈所示）。
这类由JWST实现的测量在增进我们对黑洞运行机制的理解方面发挥着关键作用。
尽管黑洞会向外喷射高温物质（箭头所示），但较冷的物质会回落并被吸积，从而使黑洞得以增长。
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，并凝结成细丝状结构，这些细丝可能只有几百光年宽，但延伸可达数千光年。
随后，磁力会减缓下落气体的旋转速度，并引导其向内移动。
这些物质会聚集在黑洞周围的一个旋转盘内，这个盘为黑洞提供燃料，接着黑洞会喷射出新的喷流，从而再次开启这一循环。
模拟结果支持进食周期
研究人员还通过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）观测到的物质非常相似，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学与天文学教授马克沃伊特说，我们密歇根州立大学团队进行的计算推测，磁场应该会通过将冷气体导向宇宙中最大的黑洞来帮助它们获取物质，能在这些詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）的图像中看到这种现象正在发生，真是太奇妙了。
加拿大航天局
相关知识
超级黑洞是一种质量极其巨大的黑洞，其质量通常是太阳质量的几百万到几百亿倍。
它们潜藏于星系中心，凭借强大引力捕获一切靠近的物质，连光都无法逃脱。
通过吸积周围物质，超级黑洞释放出巨量能量，在宇宙演化、星系形成与发展等方面扮演着关键角色。
BY: Michigan State University
FY: AI
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