在銀河系的中心潛伏著一個陰暗的巨人，一個超大質量黑洞，它吞噬著恆星和氣體。與所有黑洞一樣，這個黑洞也是一個貪婪的食客，周圍堆積著它無法立即消耗的物質——一個吸積盤，一個由摩擦加熱的氣體漩渦，在巨人的嘴邊盤旋。現在，新的觀測暗示了在銀河系中心黑洞周圍存在著前所未見的較冷區域，為我們星系的黑暗心臟打開了一個新的視窗。
儘管大多數星系的中心都存在這些所謂的星系核——超大質量黑洞仍然是一個宇宙謎團。因為它們擁有足以捕獲光線的引力，黑洞根據定義是無法真正直接看到的東西。為了發現和研究它們，科學家們必須依賴黑洞與其他物體的引力相互作用。得益於我們自身星系的龐大尺寸和相對接近性，天文學家甚至可以瞥見其引力如何引導氣體流向它的咽喉。
“這是首次表明吸積具有旋轉方向，”新澤西州普林斯頓高等研究院的理論天體物理學家埃琳娜·穆爾奇科娃說，她是一項研究的主要作者，該研究報告了6月5日發表在《自然》雜誌上的新結果。穆爾奇科娃和她的同事使用了阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米波陣列（ALMA）在2015年收集的資料，發現了非常靠近黑洞的物質的薄吸積盤，該吸積盤正在向內螺旋輸送物質流。早期的研究表明，在離黑洞較遠的地方存在一個較溫暖的氣體盤，它可能為新發現的較冷盤提供物質。
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儘管研究人員之前能夠瞥見銀河系黑洞周圍的溫暖氣體盤，但他們以前從未能夠直接測量該盤的旋轉。“這是首次看到直接圍繞黑洞流動的證據，”羅傑·布蘭福德說，他是該研究的共同作者，並因其對黑洞研究的貢獻而聞名。目前關於銀河系超大質量黑洞（稱為人馬座A*）如何消耗其氣體的模型依賴於對吸積流的確切分佈的假設，並且沒有一個模型處理冷氣體，這阻礙了我們理解我們星系的陰暗巨人究竟是如何吞噬其食物的。透過追蹤較冷氣體的運動，這項新研究為希望進行更大膽的理論飛躍的研究人員提供了更堅實、基於資料的基礎。
“這太令人驚歎了，”加州大學洛杉磯分校的理論天體物理學家斯馬達爾·瑙茲說，她沒有參與這項研究。瑙茲是加州大學洛杉磯分校銀河中心小組的成員，她對冷氣體的起源及其與銀河中心恆星和其他物體的潛在相互作用非常感興趣。瑙茲懷疑，即使是對人馬座A*周圍環境的更深入探測也可能導致我們對宇宙中更難觀測的超大質量黑洞的理解取得突破。“如果我們能夠理解事物是如何協同工作的，也許我們可以對其他星系核有一個好的瞭解，”她說。人們認為，這些星系核中的黑洞有助於塑造星系和星系團的整體結構、組成和演化。瞭解它們行為的複雜性可能會揭示關於宇宙中一些最大和最重要的結構是如何形成的 фундаментальные new details。
研究人馬座A*周圍的冷氣體流甚至可能解決G2之謎，G2是一個奇怪的物體，科學家們曾經預測它會在2014年與黑洞近距離接觸時被撕裂。令他們驚訝的是，G2並沒有被黑洞的引力撕碎，而是相對毫髮無損地度過了圍繞巨人的危險之旅，這使得一些研究人員認為它是一個被遮蔽的恆星，而不是一團塵埃。瑙茲和其他理論家現在可以嘗試將G2建模為恆星或雲，因為它與冷碎片盤相互作用，或許最終可以解釋其奇異的行為並確定其真實性質。瑙茲說，甚至有可能G2和其他類似物體正在為該盤提供物質。“這是理論家的夢想，一個新的謎題，我們可以解決，”她說。
一項有爭議的結果
探測超大質量黑洞周圍的區域是一項挑戰，目前只有ALMA能夠勝任這項任務（其他專案，如事件視界望遠鏡射電陣列，也可以放大觀察人馬座A*，但目前無法瞥見那裡的冷氣體）。穆爾奇科娃說，來自人馬座A*附近的輻射比來自冷氣體的訊號亮約2000倍。她將其比作對著太陽拿著蠟燭拍照，然後減去陽光。“你需要一臺非常完美的相機才能做到這一點，”她說。ALMA符合要求。
部分原因是隻有一臺儀器能夠如此徹底地探測這個難以捉摸的區域，並非所有人都相信穆爾奇科娃和她的同事們實際上已經發現了冷盤。馬克斯·普朗克地外物理研究所（MPE）的黑洞研究資深人士萊因哈德·根澤爾曾擔任該論文的審稿人，他說，當他第一次看到結果時，“非常感興趣”，因為以前沒有人能夠觀察到如此靠近黑洞的氣體的旋轉。儘管ALMA提供了其他儀器無法比擬的令人難以置信的細節，但他質疑該設施最近的觀測是否會證實冷雲的存在。他說，尚未出現此類證實性資料。同樣，MPE的天文學家斯特凡·吉勒森在2012年領導團隊發現了G2，他說新的觀測結果補充了他和他的同事自2004年以來對銀河中心進行的觀測。然而，吉勒森的觀測結果沒有顯示出冷氣體的跡象。
穆爾奇科娃說，在吉勒森的資料中沒有冷氣體應該不足為奇。雖然結合多年的觀測可以銳化人馬座A*的視野，但這種方法並不能保證能夠梳理出極其微弱的訊號。“我們有一個專案，除了ALMA之外，沒有任何其他方法可以做到，”她說。自2011年首次投入使用以來，該望遠鏡已經升級和擴充套件，這可以解釋為什麼早期的ALMA觀測，如吉勒森的觀測，可能會錯過氣體。
環繞星系中心的冷氣體盤也應該以獨特、可辨別的方式影響其周圍環境。例如，吉勒森說，這樣一個盤很可能影響了G2穿越銀河中心。他說，儘管該物體有所減速，但沒有顯示出與未見的氣體盤碰撞或撞擊的跡象。夏威夷中央研究院天文與天體物理研究所的天文學家傑夫·鮑爾在2013年使用ALMA和其他儀器研究了G2，他也表示他的團隊沒有看到該物體與冷氣體相互作用的證據。
然而，瑙茲不相信雲會對G2產生強烈影響。該盤非常稀薄，質量在太陽質量的10到10萬分之一之間，分佈在黑洞周圍巨大的空間體積中。因此，她說，它可能根本無法對G2產生太大影響。“這就像用子彈射穿雲層，”她說。“子彈不在乎。” 穆爾奇科娃說，即使冷氣體確實輕推了G2，軌道上的變化也將是微不足道到無法察覺的。
穆爾奇科娃和她的同事計劃再次使用ALMA研究假定的冷氣體儲層，這次由於該儀器最近的更新，解析度甚至更高。詳細的觀測可能有助於解釋另一個謎團——為什麼氣體比預期的要亮得多——同時為難以捉摸的冷物質團提供第二次證實性的瞥見。
與此同時，這項新研究正在為銀河系中心和宇宙其他地方的星系中正在發生的事情提供一個有趣但有爭議的探測。“人馬座A*是黑洞吸積物理學的終極實驗室，”鮑爾說。“每一個新的資訊都更好地描繪了氣體落入我們黑洞的非常複雜的過程。這為我們全面瞭解黑洞和星系如何在宇宙歷史中增長提供了資訊。”