[비즈한국] 在銀河系的中心，坐落著一個質量約為太陽400萬倍的超大質量黑洞——人馬座A*（Sagittarius A*）。與它龐大的質量相比，它的活動顯得出奇地安靜。它既不會劇烈地吸積周圍物質，也不會讓銀河系中心變得異常明亮。正因如此，長期以來它一直被視為處於幾乎休眠狀態的黑洞。然而，透過精密觀測發現，這個安靜的黑洞實際上也在向周圍吹送“風”，並留下了改變鄰近宇宙空間的痕跡。
超大質量黑洞透過積極吸積物質會對整個星系產生影響。從黑洞周圍噴湧出的能量會點亮銀河核，並加熱或推開周圍的氣體。如果這種影響足夠強烈，供給恆星形成所需的冷氣體就會減少，從而抑制恆星的誕生。與這些活躍星系核相比，人馬座A*處於更加平靜的狀態。但這並不意味著它與周圍環境停止了相互作用。
黑洞周圍聚集著氣體、塵埃和恆星。氣體在碰撞和摩擦過程中失去能量，並進行角動量交換。在此過程中，失去角動量的一部分氣體會向黑洞移動。越靠近中心，部分引力勢能轉化為熱能，導致氣體溫度升高。被加熱的物質會釋放出光，其中一部分向外流出，在黑洞周圍形成“風”。這種風並不是從事件視界內逃逸出來的物質，而是流入黑洞的物質中，有一部分在周圍再次被釋放出來的流動。
即使流入黑洞的物質不多，傳遞給周圍的能量也可能相當可觀。以研究團隊提出的能量規模為例，僅僅是1克（相當於一個回形針重量）的氣體在流入黑洞時釋放的能量，就足以讓遠在更外側的約100公斤氣體脫離引力束縛。如果應用到人馬座A*上，這個距離相當於光執行約12天的距離，規模超過了太陽到海王星距離的50倍。這就是為什麼即使流入的物質很少，黑洞對周圍產生的影響也不容忽視。
人馬座A*在過去可能比現在活躍得多的痕跡早已被發現。橫跨銀河系盤面上下方的“費米氣泡”（Fermi Bubbles）就是一個典型的例子。解釋這種由伽馬射線觀測到的結構起源的有力假說之一，就是銀河系中心黑洞的過去活動。然而，僅靠遙遠過去留下的痕跡，很難判斷今天的人馬座A*是否還在吹送這種風。要確認近期的活動，必須尋找留在黑洞附近的痕跡。
銀河系中心距離地球約2.6萬光年。由於其間存在厚厚的塵埃和氣體，很難用可見光觀測中心區域。這就是天文學家使用射電、紅外線和X射線的原因。本項研究利用了阿塔卡馬大型毫米/亞毫米波陣列（ALMA）在2017年、2018年和2021年收集的觀測資料。
研究團隊關注的是在約230GHz頻率下發射的一氧化碳射電訊號。該發射線對於追蹤約100K左右的低溫分子氣體非常有效。研究人員沒有觀察黑洞本身發出的光，而是精確地觀測了周圍冷氣體的分佈位置和密度。他們將多年積累的資料進行整合，製作了一張橫縱座標各達2700畫素的觀測地圖。
在此過程中，處理人馬座A*快速的亮度變化至關重要。人馬座A*的射電強度在很短的時間間隔內就會發生變化。如果不能準確校準中心區域明亮且易變訊號，就很難分辨周圍暗淡的結構。研究團隊透過對此類變化進行建模並消除中心射電輻射源的影響，揭示了周圍瀰漫氣體的微細結構。
在人馬座A*周圍，存在著一個遠大於黑洞附近物質流入區域的分子氣體環。這就是所謂的核周盤（Circum-nuclear disk, CND）。過去人們認為這個環的內邊界距離黑洞約0.5秒差距。當時人們認為在該區域內部主要充滿了被加熱電離的氣體，幾乎沒有低溫分子氣體。
新的ALMA觀測地圖顯示，在該區域內部也存在豐富的複雜分子氣體結構。氣體速度分佈顯示出與繞人馬座A*旋轉或向中心流入的運動相吻合的形態。這是將其解釋為參與銀河系中心物質流動氣體，而非偶然在同一視線方向重疊的背景雲的依據。
最重要的發現是這種低溫分子氣體分佈中央出現了一個圓錐形的空白區域。該結構從人馬座A*附近開始，向外延伸了至少1秒差距，即超過3光年的長度。圓錐的張角約為45度。在這一通道內，周圍觀測到的低溫分子氣體訊號明顯減弱。
研究團隊將這種圓錐形結構解釋為從黑洞周圍流出的熱風所留下的痕跡。當風穿過時，如果推開或加熱了冷氣體，一氧化碳的發射就會變弱。因此，在觀測地圖上看起來是空的，並不意味著那裡變成了沒有任何物質的真空。這僅意味著追蹤低溫分子氣體的訊號不足，而其中可能存在高溫氣體。
這種風與人們熟知的“黑洞噴流”（Jet）不同。噴流是物質和能量集中在狹窄方向並向遠處延伸的流動。相反，風則以相對較寬的角度散開。可以聯想到從狹窄軟管噴出的水柱與大面積噴灑的淋浴噴頭之間的區別。此次發現的結構張開角度足夠大，因此研究團隊將其解釋為比噴流更接近“風”的流動。
錢德拉X射線天文臺（Chandra X-ray Observatory）的觀測結果也支援這一解釋。ALMA捕獲的低溫分子氣體與錢德拉捕獲的X射線發射呈現出互補的分佈。冷氣體稀少的地方X射線強，而冷氣體豐富的地方X射線則相對較弱。如果高溫氣體佔據的空間驅逐或加熱了冷氣體，這正是預期會出現的景象。
圓錐邊界清晰可見這一事實也很重要。在周圍，分子氣體仍在源源不斷地流入中心。如果過去只吹過一次強風就徹底停止，隨著時間的推移，其痕跡可能會再次被氣體填滿。為了維持這一空白區域，推開或加熱氣體的作用必須持續存在。
這種風的持續時間也可以估算。研究團隊假設這種風是產生周圍電離氣體結構的主要原因，利用氣體的旋轉和結構的大小計算了時間。結果表明，觀測方向上的風可能至少活動了約2萬年。與僅僅確認圓錐的存在不同，這一時間估算包含了對氣體被加熱和電離原因的假設。
還有證據表明，人馬座A*在相對近期的過去比現在更亮。這就是周圍分子云中觀測到的“X射線光回聲”（X-ray light echo）。過去從黑洞周圍發射的X射線到達遠處雲層後發生散射，再傳播回地球，由於其路徑比直接光更長，因此會延遲被觀測到。透過分析這種反射訊號，可以回溯無法直接觀測到的過去活動。這與風在撞擊雲層時產生的X射線發射是不同的現象。
這些觀測表明，人馬座A*在幾百年前可能釋放出了比現在強得多的X射線。幾百年正是伽利略使用望遠鏡觀測星空的時代。如果當時有X射線觀測技術，或許就能記錄下與今天不同的銀河系中心模樣。僅靠可見光望遠鏡，很難察覺到厚厚塵埃背後發生的變化。如果人類科學技術的發展能早那麼400年，我們或許就能看到更加耀眼的X射線噴湧而出的銀河系了。
參考
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae63cf
作者 池雄培 (Ji Ung-bae) 是誰？熱愛貓咪和宇宙。童年時在看了《銀河鐵道999》後，立下了向世人宣傳宇宙之美的夢想。目前擔任世宗大學自由專業學部助理教授，同時開展講座、寫作等多種科普活動。著有《關於天文學家的無用》、《我們都是作為天文學家出生的》、《看見宇宙時湧現的奇怪問題》等書籍，並翻譯了《我是如何殺掉冥王星的》、《量子人生》、《UFO》等作品。