歷經半個世紀搜尋，科學家終于發現銀河系黑洞吹出的黑洞風

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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。）

經過50年的搜尋，天文學家終于發現了來自銀河系中心超大質量黑洞——人馬座A*（Sgr A*）——的強勁風暴證據。這一發現加深了我們對超大質量黑洞周圍以及銀河系中心環境的理解。

科學家們長期以來一直認為，黑洞在吞噬物質的同時會釋放能量，從而將物質從其周圍推開，這一過程被稱為“黑洞風”。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，科學家們一直未能搜集到黑洞風吹過銀河系中心的證據。這一謎團在天文學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境中，否則它必然會以某種方式噴射出黑洞風，然而在星際空間中也并不存在完美真空。”研究團隊聯合負責人、西北大學研究員馬克·戈爾斯基在一份聲明中表示，“借助新的觀測數據，我們首次獲得了足夠清晰的圖像，得以觀察到這種風留下的痕跡。我們審查數據時不禁感嘆：‘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，絕非易事。

科學家們早已知道，正在吸積物質的黑洞會驅動強大的外流，其中包括噴流和黑洞風。當落向黑洞的物質被加速至接近光速時，會產生壓力將落入的物質再推開，從而形成黑洞風。此前，人們已在高吸積率黑洞中觀測到這種現象，但在幾乎不“進食”的人馬座A*上卻未曾發現。這是因為，首先它攝入的物質稀少，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是極為困難的。

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

“風力并不太強勁，而且風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、塵埃和電離結構來觀察，而要穿透這些物質進行觀測非常困難。”

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

（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。這些觀測數據為人馬座A*周圍約3光年范圍內的冷分子氣體提供了迄今為止最清晰的圖像。科學家們從這些觀測結果中發現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，它不會與低溫物質共存，”戈爾斯基說，“它要么會將低溫物質擠出去，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* 周圍的區域星體密集，雖然這些恒星也會向外噴射物質風，但研究團隊認為，這些恒星風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流失。我們計算過形成這個空洞所需的能量，而該區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，這必然源于超大質量黑洞的能量輸入。而且，如果你順著錐體的側面形狀看，它正好指向那個黑洞。”

為了再次驗證研究結果，科學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域的觀測數據。

“非同尋常的論斷需要非同尋常的證據，”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域的X射線輻射，ALMA的觀測結果得到了證實。

穆爾奇科娃說，“當你發現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，我們有新發現’，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域、也就是活動星系核（AGN）中的超大質量黑洞相比，人馬座A* 異常平靜，但這股黑洞風的活動卻并不是看上去那般無精打采。事實上，科學家認為它已經肆虐了大約2萬年。

“大多數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，”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。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時的生命歷程。”

責任編輯：楊宜修

牧夫新媒體編輯部

『天文濕刻』 牧夫出品

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圍繞著銀河系超大質量黑洞（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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