詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）捕捉到了为NGC 4696中心超大质量黑洞供给气体的异常详细图像。一个巨大的丝状结构似乎正将物质输送进一个宽800光年的旋转盘，气体在其中以高达每秒600公里的速度飞速旋转。研究结果表明，黑洞可能通过喷流加热气体，随后将冷却的物质吸回，从而循环利用自身的燃料。
图像揭示了连接星系炎热外层大气与其中心黑洞周围快速旋转盘的漫长气体丝。该盘充当了气体向内坠落并为黑洞提供燃料之前的最终物质库。
由蒙特利尔大学领导、密歇根州立大学参与的国际研究团队进行了观测并分析了结果。他们的发现发表在7月14日的《天体物理学杂志通讯》上，有助于解决一个困扰天文学家数十年的难题。
“JWST的观测为我们提供了数以千计的新事实和测量数据，我可以说这需要消化大量的信息，”密歇根州立大学物理学和天文学杰出教授Megan Donahue说，“我们正共同努力解决关于这些黑洞如何获取燃料以及它们如何与宿主星系相互作用的物理学问题。”
超大质量黑洞如何影响星系
几乎每个大星系的中心都包含一个超大质量黑洞（SMBH）。这些天体的质量可以是太阳的数百万到数十亿倍。
黑洞本身不发光。然而，当大量气体和尘埃落向它时，物质会升温并产生一个极亮且高能的区域。天文学家称之为活动星系核（AGN）。
一个活跃的黑洞其行为就像一台强大的宇宙引擎。它可能发射出巨大的喷流，将能量输送到远离星系中心的地方。这些喷流可以加热周围的气体，减缓新恒星的形成，并影响星系在数十亿年间的演变。
这就产生了一个长期存在的谜题。如果喷流加热了附近的气体，它们应该会使气体更难冷却并落向黑洞。理论上，黑洞最终应该会切断自己的食物供应。
然而，许多超大质量黑洞仍在持续吞噬。
可能的黑洞燃料循环
主要的解释是该系统具有自我调节机制。
被黑洞活动加热的气体最终可能会再次冷却。随着能量的损失，它可以凝结成被称为“丝状体”的长而窄的结构。这些较冷气体的流随后可能会落回星系中心，补充黑洞的燃料供应。
为了研究这一过程，研究人员利用JWST研究了NGC 4696，这是半人马座星系团中最大的中心星系。该星系团是一个距离地球约1.45亿光年的密集星系集合，被认为是研究活动星系核与其周围环境相互作用的最佳场所之一。
团队利用JWST的NIRSpec仪器对NGC 4696进行了近8小时的观测。NIRSpec将红外光分离成其组成波长，使科学家能够确定气体的运动方式、成分及其在区域内的性质变化。
生成的图谱追踪了黑洞影响球深处的气体运动。这是黑洞引力主导附近物质运动的区域。
JWST分辨出了小至约30光年宽的结构。虽然这一距离按人类标准来看是巨大的，但在一个跨度数十万光年的星系内部，这属于极其精细的细节水平。
气体涌入旋转盘
观测显示，星系中心附近的S形结构实际上是围绕超大质量黑洞旋转的气体盘。
该盘跨度近800光年，其内部部分物质的运动速度高达每秒600公里。
最重要的是，该盘似乎与星系巨大的向内流动气体丝状体之一存在物理连接。JWST数据显示气体沿着丝状体流动，并进入为黑洞提供物质的旋转盘中。
这一连接提供了一些迄今为止最有力的观测证据，证明冷气体丝状体可以作为超大质量黑洞的输送通道。
完成黑洞反馈回路
这些发现有助于填补一个更大循环中缺失的环节。
首先，活跃黑洞发射的喷流将能量注入周围的星系气体中。随着时间的推移，部分气体冷却、变得不稳定，并坍缩成细长的丝状体。其中一些结构仅有几百光年宽，却延伸数千光年。
当气体向内坠落时，磁力可能有助于减缓其旋转并引导其流向中心。随后，物质在黑洞周围的旋转盘中聚集。
盘为黑洞提供燃料，黑洞驱动新的喷流，喷流再次加热周围的气体。
通过这种方式，黑洞可能帮助创造了最终为其提供下一批燃料的条件。
模拟支持JWST观测
研究人员还使用先进的计算机模拟来测试这一解释是否能重现JWST观测到的行为。
模拟气体的运动和凝聚方式与观测到的系统非常相似。这种一致性为冷却气体、磁场和黑洞喷流在自我调节循环中协同工作的观点提供了独立支持。
“参与这个项目真的非常令人兴奋，”密歇根州立大学物理学和天文学教授Mark Voit说，“我们密歇根州立大学小组的计算预测，磁场应该通过引导冷气体来为宇宙中最大的黑洞提供食物，而在这些JWST图像中看到这一现象的发生真是太神奇了。”