天文学家捕捉到一个美丽星系的两个旋臂为其中心的黑洞提供"食物"

抖音推荐 2025年10月20日 01:23 1 cc

信息来源：https://www.earth.com/news/spiral-arms-captured-feeding-black-hole-at-center-of-the-circinus-galaxy/

天文学家利用智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA）取得了一项突破性发现，首次清晰观测到星系旋臂如何将气体物质精确输送到中心超大质量黑洞。这一发现为我们理解宇宙中最神秘的天体如何"进食"提供了前所未有的直接证据。

研究团队将目光投向距离地球约1300万光年的圆环星系（Circinus Galaxy），这个位于南方天空的星系拥有一个质量相当于数百万个太阳的超大质量黑洞。通过ALMA射电阵列的高精度观测，科学家们成功绘制出了尺寸小于一光年的冷气体分布图，揭示了星系中心复杂而精密的"供餐系统"。

双旋臂输送带的精密运作

莱顿大学的首席研究员沃尔特·戈萨特（Wout M. Goesaert）领导的团队发现，圆环星系拥有两条狭窄的旋臂，它们直接连接到黑洞周围的环面结构。这种环面是围绕黑洞的厚实、甜甜圈状的冷尘埃和气体环，是黑洞吸积盘的重要组成部分。

观测数据显示，气体沿着这些旋臂以惊人的速度向内流动，最高可达每小时约15万公里。这种高速运动使得气体能够在大约1.1万年内跨越一光年的距离，为黑洞的持续活动提供必要的物质补给。

研究团队估算，这一输送系统每年能够为黑洞提供相当于0.3到7.5个太阳质量的物质。这一发现解决了长期困扰天体物理学家的一个基本问题：在星系中心的强大引力场中，物质如何克服角动量守恒定律，从外围区域输送到黑洞附近。

然而，这一输送过程并非完全高效。观测显示，只有不到12%的流入物质最终到达黑洞的内部区域，其余的物质被强大的辐射压力推回到外围空间。这种"反馈机制"对于维持星系的整体结构平衡至关重要。

层状结构揭示复杂物理机制

ALMA的高分辨率观测能力使科学家们能够详细分析圆环星系中心区域的层状结构。在最内部是热的、快速旋转的吸积盘，其中的物质在向内盘旋的过程中释放出巨大的能量。吸积盘外围是前述的环面结构，再向外是环核盘——一个围绕星系中心、跨越数十光年的更宽气体盘。

这种多层结构的几何形态显示了不同组件之间的精密配合。分子气体臂比尘埃和电离组件稍宽，形成了一个梯度输送系统。在距离中心约0.16光年的位置，科学家们观测到了电离风的发射现象，这些风以锥形结构向外喷射，但两侧的开启角度并不相同。

这种不对称性暗示了黑洞附近存在扭曲的内部结构，这与之前水激射器信号观测到的薄而扭曲的圆盘结构相一致。扭曲结构的存在有助于解释为什么流出现象看起来不平衡，以及反馈机制如何在不同方向上表现出差异。

动态平衡与时间尺度

Circinus 星系黑洞环核盘中的螺旋结构覆盖在 7 CO 带图上。虚线青色箭头表示通过为环面供水的西北钩的拟议流入量。合成的光束尺寸在左下角绘制为填充椭圆，青色十字表示 AGN 位置。点击图片放大。图片来源：arXiv

研究揭示的另一个重要发现是星系中心区域存在的动态平衡机制。观测数据表明，从核心区域每年流出的分子物质可以达到一个到十多个太阳质量，这些流出物质能够轻易抵消大部分流入物质的影响。

这种平衡机制与一个长期存在的理论模型相符：辐射驱动的喷泉效应。在这一模型中，从核心上升的气体在外围冷却后重新回落，增厚了环面结构。这种循环过程激起湍流并维持环面的膨胀状态，为持续的物质输送创造了条件。

基于新的进料速率数据，科学家们计算出环面的重新填充时间相对较短，约需12万到270万年。这一时间尺度与许多活跃星系核心观测到的间歇性活动模式高度一致，暗示着随着外盘物质供应的增减，黑洞的活跃程度可能会周期性地变化。

技术突破与未来展望

天文学家沃尔特·戈萨特（Walt Goesaert）绘制了分子气体在大约 1300 万光年外的 Circinus 星系中的分布图。该星系在可见光下显示在左上角。这两个插图是使用阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA）拍摄的图像。点击图片放大。图片来源：ESO

此次研究的成功很大程度上依赖于ALMA阵列的卓越观测能力。ALMA能够以前所未有的精度绘制冷气体的分布，分辨率可达亚光年级别。这种技术能力使得科学家们首次能够直接观测到星系尺度上的物质输送过程。

中红外观测仪器MATISSE提供的补充数据进一步证实了研究结果。该仪器追踪到的尘埃锥体结构与核心附近的电离锥体完美匹配，尽管在宽度上表现出微妙差异，但具有相似的轴向方向。

展望未来，即将投入使用的事件视界望远镜和极大望远镜将有望解决这一物质输送链条中的最后环节。这些先进设施将能够探测风的精确起点，以及辐射如何推动气体运动，从而完善我们对超大质量黑洞"进食"机制的理解。

研究团队计划对附近其他活跃星系进行类似的ALMA观测，以确定圆环星系的双旋臂输送模式是独特现象还是普遍规律。如果在其他星系中也发现相同的模式，那么超大质量黑洞的"进食规律"可能比此前想象的更加简单统一。

这一发现不仅为星系演化模型提供了重要的观测约束，也为理解宇宙中物质和能量的循环过程开辟了新的研究方向。任何试图模拟星系演化的计算机模型现在都必须能够准确再现内盘中螺旋臂的生长，以及它们向内输送气体的机制，才能被认为是现实可信的。

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