美國太空總署的詹姆斯·韋伯為超大質量黑洞提供食物

這些圖像顯示長長的氣體絲將星系熾熱的外層大氣與圍繞其黑洞的快速旋轉的圓盤連接起來。在氣體落入黑洞並供給黑洞之前，圓盤充當最後的物質儲存庫。

由蒙特利爾大學領導的國際研究小組在密西根州立大學的參與下進行了觀察並分析了結果。調查結果發表在 7 月 14 日刊上 天文物理學期刊通訊幫助回答幾十年來一直挑戰天文學家的問題。

密西根州立大學物理和天文學傑出教授梅根·多納休 (Megan Donahue) 表示：“JWST 觀測為我們提供了數千個新數據和測量結果，我可以報告說，有很多東西需要吸收。” “我們正在共同努力解決有關這些黑洞如何獲取燃料以及它們如何與宿主星系相互作用的天體物理學問題。”

超大質量黑洞如何影響星系

幾乎所有大型星系的中心都有一個超大質量黑洞（SMBH）。這些物體的質量可能是太陽的數百萬或數十億倍。

黑洞本身不發光。然而，當大量氣體和灰塵落入其中時，材料就會升溫並形成一個非常明亮且充滿活力的區域。天文學家稱為活動星系核（AGN）。

活躍的黑洞可以像強大的宇宙引擎一樣發揮作用。它可以在遠離銀河系中心的地方發射巨大的載能噴射機。這些噴流可以加熱周圍的氣體，減緩新恆星的形成，並影響星系數十億年來的變化。

這就產生了一個古老的謎題。如果噴流加熱周圍的氣體，它們就會使氣體更難冷卻並落入黑洞。從理論上講，黑洞最終應該會切斷其食物供應。

然而，許多超大質量黑洞仍在繼續進食。

可能的黑洞燃料循環

主要的解釋是系統自我調節。

被黑洞活動加熱的氣體最終可以再次冷卻。當它失去能量時，它會凝結成又長又窄的結構，稱為細絲。這些較冷的氣體流可以落入星系中心並補充黑洞的燃料供應。

為了研究這個過程，研究人員利用 JWST 研究了半人馬座星團中最大的中央星系 NGC 4696。該星團是距離地球 1.45 億光年的密集星系集合，被認為是研究活躍星系核如何與周圍環境相互作用的最佳地點之一。

該團隊使用 JWST 的 NIRSpec 儀器對 NGC 4696 進行了近八個小時的觀測。 NIRSpec 將紅外光分解為不同的波長，使科學家能夠確定氣體如何移動、由什麼組成以及其特性在某個區域如何變化。

由此產生的地圖繪製了黑洞影響範圍內氣體的運動。黑洞的引力支配周圍物質的運動。

JWST 解析了大約 30 光年範圍內的結構。雖然這個距離按照人類標準來說是巨大的，但在跨越數十萬光年的星系中，精度水平是驚人的。

氣體流入旋轉盤

觀測結果表明，星系中心附近的S形結構是圍繞超大質量黑洞旋轉的氣體盤。

該圓盤直徑近800光年，其內部物質以每秒600公里的速度移動。

最重要的是，圓盤似乎附著在向內流入星系的一根大氣體絲上。 JWST 數據顯示氣體穿過細絲並進入向黑洞提供物質的旋轉盤。

這種聯繫提供了一些迄今為止最有力的觀測證據，表明冷氣體細絲可以充當超大質量黑洞的供給通道。

完成黑洞回饋循環

這些發現有助於填補更大周期中缺少的步驟。

首先，活躍黑洞發射的噴流將能量注入周圍的星系氣體中。隨著時間的推移，部分氣體冷卻、變得不穩定並塌陷成細絲。其中一些結構的寬度只有幾百光年，但它們延伸了數千光年。

當氣體向內落下時，磁力可以幫助減少其旋轉並幫助引導其向中心移動。然後，這些物質聚集成黑洞周圍旋轉的圓盤。

圓盤為黑洞提供能量，黑洞為新的噴流提供能量，而這些噴流又重新加熱周圍的氣體。

透過這種方式，黑洞可以幫助創造條件，最終為其提供下一次燃料供應。

模擬支持 JWST 觀測

研究人員還使用先進的電腦模擬來測試這種解釋是否可以重現 JWST 觀察到的行為。

模擬氣體的移動和凝結方式與觀察到的系統非常相似。該協議支持了冷卻氣體、磁場和黑洞在自我調節循環中協同工作的觀點。

「參與這個計畫真的很令人興奮，」密西根州立大學物理和天文學教授馬克沃伊特說。 “我們密西根州立大學團隊的計算預測，磁場應該通過將冷氣體引導向宇宙最大的黑洞來為它們提供燃料，在這些 JWST 圖像中看到這種情況的發生真是令人驚訝。”