超大黑洞迎來「美食」傾盆大雨

在阿貝爾2597星系團最明亮星系的核心深處，天文學家發現寒冷的氣體雲正成群結隊像下雨一樣落向中央的超大質量黑洞，這幅藝術想像畫描繪了這樣的場景。圖片來源：NRAO/AUI/NSF;DanaBerry/SkyWorks;ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)

一個國際合作的天文學家團隊利用阿塔卡馬大型毫米/亞毫米波陣（ALMA），見證了一場以前從來沒有見過的宇宙氣象事件——在距離地球10億光年的一個巨型星系的中心，高高飛起的星系際氣體雲正成群結隊像下雨一樣傾瀉到一個超大質量黑洞之上。

ALMA所作的這項最新觀測提供了首個直接證據，表明寒冷緻密的氣體雲能夠從星系之間熾熱的氣體中凝聚而成，並落入星系中心飼餵那裡的超大質量黑洞。這也讓天文學家重新審視了關於超大質量黑洞如何進食的看法。

在此之前，天文學家認為，在那些最大的星系中心，超大質量黑洞會以一種緩慢而持久的方式，也就是所謂的吸積盤，來攝食星系暈中的高溫電離氣體。而最新的ALMA觀測表明，如果星系之間的氣象條件合適的話，黑洞也有機會大塊朵頤，吞噬成團成塊傾倒下來的非常寒冷的巨型分子氣體雲。

「儘管近年來已經有了這樣的理論預言，但這是第一個確鑿無疑的觀測證據，表明寒冷的氣體雲可以像下雨一樣雜亂地投餵給一個超大質量黑洞。」美國耶魯大學天文學家、這項研究的主要作者格蘭特·特倫布萊（Grant Tremblay）說，「一想到我們真的觀測到橫跨星系的這場傾盆大雨，正落向質量相當於太陽3億倍的一個黑洞，我們就興奮不已。」

特倫布萊及其團隊用ALMA觀測了一個異常明亮的星系團，它包含大約50個星系，被統稱為阿貝爾2597（Abell2597）。這個星系團的核心處有一個大質量橢圓星系，可以稱之為阿貝爾2597星系團中最明亮的星系。熾熱的電離氣體瀰漫在這些星系之間的廣袤空間之中，這些星系際氣體曾經被NASA的錢德拉X射線天文台觀測過。

「這團非常非常熾熱的氣體能夠迅速冷卻、凝聚並猛然下落，就好像地球大氣中溫暖潮濕的空氣能夠形成雨雲和降水一樣。」 特倫布萊說，「接下來，新凝聚形成的氣體雲就像下雨一樣落到星系裡，給恆星形成加註原料，也給超大質量黑洞提供了食物。」

在這個星系的中心附近，研究者發現了這樣一個場景：3團巨大的寒冷氣體雲正以大約每小時100萬千米的速度沖向星系中心的那個超大質量黑洞。每團氣體雲都寬達幾十光年，所含物質相當於太陽的100萬倍。

這幅影像的背景圖片（藍色）由哈勃空間望遠鏡拍攝。前景圖片（紅色）是ALMA的觀測數據，顯示了這個星系中及星系周圍一氧化碳氣體的分布。插入圖展現了ALMA數據中的「陰影」（黑色），這是電子沿超大質量黑洞周邊強大的磁場運動時發出的毫米波輻射又被氣體雲吸收而產生的。這個陰影暗示，有寒冷的分子氣體雲正像雨一樣落向那個黑洞。圖片來源：B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)/G. Tremblay et al./NASA/ESA Hubble/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

通常情況下，就算藉助ALMA非凡的分辨能力，這麼小尺度的天體在那麼遙遠的宇宙學距離上，本來也應該難以辨別了。然而，它們的「陰影」卻穿越了10億光年的距離，投射到了地球上，這才被研究者們發現。

美國國家科學基金會甚長基線射電望遠鏡陣（VLBA）獲得的額外觀測數據表明，ALMA觀測的這些氣體雲距離中央黑洞僅有大約300光年，從天文學角度來看，可以說它們已經到了即將被黑洞吞噬的邊緣。

儘管ALMA只能檢測到這3團寒冷氣體雲，但天文學家推測，在那個黑洞附近或許還有成千上萬團類似的氣體雲，持續不斷地傾泄到黑洞上，在很長的一段時間裡給黑洞的活動注入燃料。

現在，這些天文學家計劃使用ALMA在其他星系中搜尋類似的「傾盆大雨」，以確定這樣的宇宙天氣現象是否可能像當前理論預言的那樣相當普遍。

描述這些結果的論文今天（6月9日）發表在《自然》雜誌上。（編輯：Steed）

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