[비즈한국] 在银河系的中心，坐落着一个质量约为太阳400万倍的超大质量黑洞——人马座A*（Sagittarius A*）。与它庞大的质量相比，它的活动显得出奇地安静。它既不会剧烈地吸积周围物质，也不会让银河系中心变得异常明亮。正因如此，长期以来它一直被视为处于几乎休眠状态的黑洞。然而，通过精密观测发现，这个安静的黑洞实际上也在向周围吹送“风”，并留下了改变邻近宇宙空间的痕迹。
超大质量黑洞通过积极吸积物质会对整个星系产生影响。从黑洞周围喷涌出的能量会点亮银河核，并加热或推开周围的气体。如果这种影响足够强烈，供给恒星形成所需的冷气体就会减少，从而抑制恒星的诞生。与这些活跃星系核相比，人马座A*处于更加平静的状态。但这并不意味着它与周围环境停止了相互作用。
黑洞周围聚集着气体、尘埃和恒星。气体在碰撞和摩擦过程中失去能量，并进行角动量交换。在此过程中，失去角动量的一部分气体会向黑洞移动。越靠近中心，部分引力势能转化为热能，导致气体温度升高。被加热的物质会释放出光，其中一部分向外流出，在黑洞周围形成“风”。这种风并不是从事件视界内逃逸出来的物质，而是流入黑洞的物质中，有一部分在周围再次被释放出来的流动。
即使流入黑洞的物质不多，传递给周围的能量也可能相当可观。以研究团队提出的能量规模为例，仅仅是1克（相当于一个回形针重量）的气体在流入黑洞时释放的能量，就足以让远在更外侧的约100公斤气体脱离引力束缚。如果应用到人马座A*上，这个距离相当于光运行约12天的距离，规模超过了太阳到海王星距离的50倍。这就是为什么即使流入的物质很少，黑洞对周围产生的影响也不容忽视。
人马座A*在过去可能比现在活跃得多的痕迹早已被发现。横跨银河系盘面上下方的“费米气泡”（Fermi Bubbles）就是一个典型的例子。解释这种由伽马射线观测到的结构起源的有力假说之一，就是银河系中心黑洞的过去活动。然而，仅靠遥远过去留下的痕迹，很难判断今天的人马座A*是否还在吹送这种风。要确认近期的活动，必须寻找留在黑洞附近的痕迹。
银河系中心距离地球约2.6万光年。由于其间存在厚厚的尘埃和气体，很难用可见光观测中心区域。这就是天文学家使用射电、红外线和X射线的原因。本项研究利用了阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列（ALMA）在2017年、2018年和2021年收集的观测数据。
研究团队关注的是在约230GHz频率下发射的一氧化碳射电信号。该发射线对于追踪约100K左右的低温分子气体非常有效。研究人员没有观察黑洞本身发出的光，而是精确地观测了周围冷气体的分布位置和密度。他们将多年积累的数据进行整合，制作了一张横纵坐标各达2700像素的观测地图。
在此过程中，处理人马座A*快速的亮度变化至关重要。人马座A*的射电强度在很短的时间间隔内就会发生变化。如果不能准确校准中心区域明亮且易变信号，就很难分辨周围暗淡的结构。研究团队通过对此类变化进行建模并消除中心射电辐射源的影响，揭示了周围弥漫气体的微细结构。
在人马座A*周围，存在着一个远大于黑洞附近物质流入区域的分子气体环。这就是所谓的核周盘（Circum-nuclear disk, CND）。过去人们认为这个环的内边界距离黑洞约0.5秒差距。当时人们认为在该区域内部主要充满了被加热电离的气体，几乎没有低温分子气体。
新的ALMA观测地图显示，在该区域内部也存在丰富的复杂分子气体结构。气体速度分布显示出与绕人马座A*旋转或向中心流入的运动相吻合的形态。这是将其解释为参与银河系中心物质流动气体，而非偶然在同一视线方向重叠的背景云的依据。
最重要的发现是这种低温分子气体分布中央出现了一个圆锥形的空白区域。该结构从人马座A*附近开始，向外延伸了至少1秒差距，即超过3光年的长度。圆锥的张角约为45度。在这一通道内，周围观测到的低温分子气体信号明显减弱。
研究团队将这种圆锥形结构解释为从黑洞周围流出的热风所留下的痕迹。当风穿过时，如果推开或加热了冷气体，一氧化碳的发射就会变弱。因此，在观测地图上看起来是空的，并不意味着那里变成了没有任何物质的真空。这仅意味着追踪低温分子气体的信号不足，而其中可能存在高温气体。
这种风与人们熟知的“黑洞喷流”（Jet）不同。喷流是物质和能量集中在狭窄方向并向远处延伸的流动。相反，风则以相对较宽的角度散开。可以联想到从狭窄软管喷出的水柱与大面积喷洒的淋浴喷头之间的区别。此次发现的结构张开角度足够大，因此研究团队将其解释为比喷流更接近“风”的流动。
钱德拉X射线天文台（Chandra X-ray Observatory）的观测结果也支持这一解释。ALMA捕获的低温分子气体与钱德拉捕获的X射线发射呈现出互补的分布。冷气体稀少的地方X射线强，而冷气体丰富的地方X射线则相对较弱。如果高温气体占据的空间驱逐或加热了冷气体，这正是预期会出现的景象。
圆锥边界清晰可见这一事实也很重要。在周围，分子气体仍在源源不断地流入中心。如果过去只吹过一次强风就彻底停止，随着时间的推移，其痕迹可能会再次被气体填满。为了维持这一空白区域，推开或加热气体的作用必须持续存在。
这种风的持续时间也可以估算。研究团队假设这种风是产生周围电离气体结构的主要原因，利用气体的旋转和结构的大小计算了时间。结果表明，观测方向上的风可能至少活动了约2万年。与仅仅确认圆锥的存在不同，这一时间估算包含了对气体被加热和电离原因的假设。
还有证据表明，人马座A*在相对近期的过去比现在更亮。这就是周围分子云中观测到的“X射线光回声”（X-ray light echo）。过去从黑洞周围发射的X射线到达远处云层后发生散射，再传播回地球，由于其路径比直接光更长，因此会延迟被观测到。通过分析这种反射信号，可以回溯无法直接观测到的过去活动。这与风在撞击云层时产生的X射线发射是不同的现象。
这些观测表明，人马座A*在几百年前可能释放出了比现在强得多的X射线。几百年正是伽利略使用望远镜观测星空的时代。如果当时有X射线观测技术，或许就能记录下与今天不同的银河系中心模样。仅靠可见光望远镜，很难察觉到厚厚尘埃背后发生的变化。如果人类科学技术的发展能早那么400年，我们或许就能看到更加耀眼的X射线喷涌而出的银河系了。
参考
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae63cf
作者 池雄培 (Ji Ung-bae) 是谁？热爱猫咪和宇宙。童年时在看了《银河铁道999》后，立下了向世人宣传宇宙之美的梦想。目前担任世宗大学自由专业学部助理教授，同时开展讲座、写作等多种科普活动。著有《关于天文学家的无用》、《我们都是作为天文学家出生的》、《看见宇宙时涌现的奇怪问题》等书籍，并翻译了《我是如何杀掉冥王星的》、《量子人生》、《UFO》等作品。