Quanta 杂志的 Olena Shmahalo
5 月 12 日，在全球同时举行的九场新闻发布会上，天体物理学家揭示了银河系中心黑洞的第一张图像。起初，尽管它非常棒，但我们精心制作的围绕我们银河系中央黑暗坑的光环图像似乎只是证明了专家们已经预料到的：银河系的超大质量黑洞存在，它正在旋转，它遵循阿尔伯特爱因斯坦的广义相对论。
然而，仔细观察，事情并没有完全叠加。
根据光百吉饼的亮度，研究人员估计了物质落入人马座 A* 的速度——人马座 A* 是银河系中心黑洞的名称。答案是：一点也不快。耶鲁大学的宇宙学家Priya Natarajan将银河系比作一个破损的淋浴喷头，他说：“它被小涓涓细流堵塞了。”不知何故，从周围的星际介质流入银河系的物质中，只有千分之一会一直向下进入黑洞。 “这揭示了一个巨大的问题，”Natarajan 说。 “这些气体去哪儿了？流量发生了什么？很明显，我们对黑洞增长的理解是可疑的。”
在过去的 25 年里，天体物理学家开始认识到，许多星系与其中心的黑洞之间存在着紧密的动态关系。 “该领域发生了巨大的转变，”哈佛大学的理论天体物理学家拉梅什·纳拉扬说。 “令人惊讶的是，黑洞作为星系演化的塑造者和控制者非常重要。”
这些巨大的空洞——物质浓度如此之高，以至于重力甚至阻止光线逃逸——就像星系的引擎，但研究人员才刚刚开始了解它们是如何运作的。重力将尘埃和气体向内吸引到银河系中心，在那里它在超大质量黑洞周围形成一个旋转吸积盘，加热并变成白热等离子体。然后，当黑洞吞没这个物质时（无论是点点滴滴还是突然爆发），能量在反馈过程中被喷回银河系。普林斯顿大学的理论天体物理学家艾略特·夸塔尔特说：“当你培育出一个黑洞时，你正在产生能量并将其倾倒到周围环境中，这比我们在自然界中所知道的任何其他过程都更有效。”这种反馈影响整个星系的恒星形成率和气体流动模式。
但研究人员对超大质量黑洞的“活跃”事件只有模糊的想法，这些事件将它们变成所谓的活跃星系核 (AGN)。 “触发机制是什么？什么是关闭开关？这些是我们仍在努力解决的基本问题，”哈佛-史密森天体物理中心的Kirsten Hall说。
恒星反馈发生在恒星爆炸为超新星时，已知其具有与较小规模的活动星系核反馈类似的效果。这些恒星引擎很容易大到足以调节小型“矮”星系，而只有超大质量黑洞的巨型引擎才能主导最大“椭圆”星系的演化。
从大小上看，银河系是一个典型的螺旋星系，位于中间。由于其中心几乎没有明显的活动迹象，我们的银河系长期以来一直被认为是由恒星反馈主导的。但最近的几项观察表明，AGN 反馈也塑造了它。通过研究我们所在星系中这些反馈机制之间相互作用的细节——并解决诸如目前人马座 A* 暗淡之类的难题——天体物理学家希望弄清楚星系和黑洞是如何共同演化的。 Natarajan 说，银河系“正在成为最强大的天体物理实验室”。作为一个缩影，它“可能掌握着关键”。
银河引擎
到 1990 年代后期，天文学家普遍接受星系中心存在黑洞。到那时，他们可以看到这些看不见的物体足够近，从而可以从周围恒星的运动中推断出它们的质量。出现了一个奇怪的相关性：星系质量越大，其中心黑洞就越重。 “这特别紧，而且完全是革命性的。不知何故，黑洞正在与星系对话，”卡内基梅隆大学的天体物理学家Tiziana Di Matteo说。
当你考虑到黑洞——尽管它很大——只是星系大小的一小部分时，这种相关性是令人惊讶的。 （例如，人马座 A* 重约 400 万个太阳，而银河系测量约 1.5 万亿个太阳质量。）正因为如此，黑洞的引力仅在银河系最内部区域以任何强度拉动。
对于英国皇家天文学家马丁·里斯来说，AGN 反馈提供了一种将相对较小的黑洞与整个银河系连接起来的自然方式。二十年前，在 1970 年代，里斯正确地假设超大质量黑洞为在一些遥远的、明亮发光的星系（称为类星体）中观察到的发光喷流提供动力。他甚至与唐纳德·林登-贝尔一起提出，黑洞可以解释为什么银河系的中心会发光。这些可能是支配超大质量黑洞大小的普遍现象的迹象吗？
银河系的超大质量黑洞人马座 A* 的第一张图像是由称为事件视界望远镜的全球射电望远镜联盟拍摄的。
这个想法是，黑洞吞噬的物质越多，它变得越亮，并且增加的能量和动量将气体向外吹。最终，向外的压力阻止气体落入黑洞。 “这将终止增长。以一种随意的方式，这就是推理，”里斯说。或者，用 Di Matteo 的话说，“黑洞先吃后吞。”一个非常大的星系对中央黑洞施加了更多的重量，使得向外吹出气体变得更加困难，因此黑洞在吞噬之前会变得更大。
然而，很少有天体物理学家相信下落物质的能量可以以如此戏剧性的方式喷出。 “当我写论文的时候，我们都痴迷于黑洞作为一个不归路——只有气体进入，”作为 Rees 的研究生帮助开发第一个 AGN 反馈模型的 Natarajan 说。 “每个人都必须非常谨慎和小心翼翼地做这件事，因为它太激进了。”
几年后，由 Di Matteo 和天体物理学家Volker Springel和Lars Hernquist 开发的计算机模拟证实了反馈想法。 “我们想重现我们在真实宇宙中看到的令人惊叹的星系动物园，”迪马特奥说。他们知道基本情况：星系在早期宇宙中开始时又小又密。将时钟向前拨动，重力将这些小矮星撞在一起，形成壮观的合并，形成环、漩涡、雪茄和介于两者之间的各种形状。星系的大小和种类都在不断增长，直到经过足够多的碰撞后，它们变得又大又光滑。 “它最终变成了一团，”迪马特奥说。在模拟中，她和她的同事可以通过多次合并螺旋星系来重新创建这些没有特征的大型斑点，称为椭圆星系。但有一个问题。
虽然像银河系这样的螺旋星系有许多发蓝光的年轻恒星，但巨大的椭圆星系只包含发红光的非常古老的恒星。 “它们是红色的，死了，”位于德国加兴的马克斯普朗克天体物理研究所的斯普林格尔说。但是每次团队运行他们的模拟时，它都会吐出发蓝光的椭圆。他们的计算机模型中没有捕捉到关闭恒星形成的任何东西。
然后，斯普林格尔说，“我们有了用中心的超大质量黑洞来增强我们的星系合并的想法。我们让这些黑洞吞噬气体并释放能量，直到整个东西像高压锅一样飞散。突然间，椭圆星系会停止恒星形成，变成红色和死亡。”
“我的下巴掉了下来，”他补充道。 “我们没想到[效果]会如此极端。”
通过再现红死椭圆，该模拟支持了 Rees 和 Natarajan 的黑洞反馈理论。黑洞尽管体积相对较小，但可以通过反馈与整个银河系对话。在过去的二十年里，计算机模型得到了改进和扩展，以模拟大片的宇宙，它们与我们在我们周围看到的不拘一格的星系动物园大致匹配。这些模拟还表明，黑洞喷出的能量用热气体填充了星系之间的空间，否则这些气体应该已经冷却并变成了恒星。 “人们现在已经确信，超大质量黑洞是非常合理的引擎，”斯普林格尔说。 “没有人想出一个没有黑洞的成功模型。”
反馈的奥秘
然而，计算机模拟仍然出人意料地生硬。
当物质向内蠕动到黑洞周围的吸积盘时，摩擦会导致能量被推回；以这种方式损失的能量是编码人员通过反复试验手工投入到模拟中的。这表明细节仍然难以捉摸。 “在某些情况下，我们可能会因为错误的原因得到正确的答案，”Quataert 说。 “也许我们没有捕捉到关于黑洞如何生长以及它们如何将能量倾倒到周围环境中最重要的事情。”
事实是，天体物理学家并不真正了解 AGN 反馈是如何工作的。 “我们知道它的重要性。但它正在逃避我们正是导致这种反馈的原因，”Di Matteo 说。 “关键，关键问题是我们对反馈的理解并不深入，实际上。”
他们知道，一些能量以辐射的形式发出，这使活跃星系的中心呈现出特有的明亮光芒。强磁场也会导致物质从吸积盘中飞出，要么作为弥散的银河风，要么作为强大的窄喷流。黑洞被认为发射喷流的机制，称为Blandford-Znajek 过程，在 1970 年代被确定，但决定光束功率的因素，以及它有多少能量被星系吸收，“仍然是一个悬而未决的问题问题，”纳拉扬说。银河风从吸积盘呈球形散发，因此与狭窄的喷流相比，它与银河系的相互作用更直接，更加神秘。 “十亿美元的问题是：能量如何与气体耦合？”斯普林格尔说。
从天鹅座 A 中心的黑洞中喷出的喷流会产生巨大的星际斑点，在无线电波中可以看到。
仍然存在问题的一个迹象是，最先进的宇宙学模拟中的黑洞最终比在某些系统中观察到的真实超大质量黑洞的尺寸要小。为了关闭恒星形成并创造红死星系，模拟需要黑洞喷射出如此多的能量，以至于它们会阻塞物质的向内流动，从而使黑洞停止生长。 “模拟中的反馈过于激进；它过早地阻碍了增长，”Natarajan 说。
银河系体现了相反的问题：模拟通常预测其大小的星系应该有一个比人马座 A* 大 3 到 10 倍的黑洞。
通过仔细观察银河系和附近的星系，研究人员希望我们能够开始准确地解开 AGN 反馈的工作原理。
银河系生态系统
2020 年 12 月，eROSITA X 射线望远镜的研究人员报告说，他们发现了一对在银河系上下延伸数万光年的气泡。巨大的 X 射线气泡类似于 10 年前费米伽马射线太空望远镜探测到的从银河系发出的同样令人费解的伽马射线气泡。
费米气泡的两种起源理论仍在激烈争论中。一些天体物理学家认为它们是数百万年前从射手座 A* 射出的喷气式飞机的遗物。其他人认为气泡是许多恒星在银河系中心附近爆炸的累积能量——一种恒星反馈。
延伸出银河系平面的 X 射线（蓝色）和伽马射线（红色）的巨大气泡被认为可以追溯到暂时从银河系中心黑洞发出的喷流。
台湾国立清华大学的杨香怡看到 eROSITA X 射线气泡的图像时，“开始上下跳跃”。杨很清楚，如果 X 射线是由同一个 AGN 喷流产生的，那么 X 射线可能与伽马射线有共同的起源。 （X 射线来自银河系中的冲击气体，而不是来自喷流本身。）她与合著者Ellen Zweibel和Mateusz Ruszkowski一起着手构建计算机模型。去年春天发表在《自然天体物理学》上的研究结果不仅复制了观察到的气泡的形状和明亮的激波前沿，而且预测它们是在 260 万年的过程中形成的（从活跃了 10 万年的喷流向外扩展） ）——太快了，无法用恒星反馈来解释。
这一发现表明，在像银河系这样的普通盘状星系中，AGN 反馈可能比研究人员过去认为的要重要得多。杨说，正在出现的画面类似于一个生态系统，其中活动星系核和恒星反馈与围绕星系的漫射热气体（称为环银河介质）交织在一起。不同的影响和流动模式将在不同的星系类型和不同的时间占主导地位。
银河系过去和现在的案例研究可以揭示这些过程的相互作用。例如，欧洲的盖亚太空望远镜已经绘制了数百万银河系恒星的精确位置和运动图，使天体物理学家能够追溯其与较小星系合并的历史。据推测，此类合并事件通过将物质摇入其中来激活超大质量黑洞，使它们突然变亮，甚至发射喷流。 “关于合并是否重要，该领域存在很大的争论，”Quataert 说。盖亚星数据表明，在费米气泡和埃罗西塔气泡形成时，银河系没有发生合并，不赞成合并作为活动星系核喷流的触发因素。
S. Payne-Wardenaar / K. Malhan，MPIA
盖亚宇宙飞船对银河系内外数百万颗恒星和其他物体的位置和速度的测量使天文学家能够解开银河系与较小星系合并的历史。这些合并以星流的形式留下了痕迹。
或者，气体团可能恰好与黑洞碰撞并激活它。它可能会在进食、喷射能量和银河风之间混乱地切换，然后暂停。
事件视界望远镜最近拍摄的人马座 A* 图像，揭示了它目前正在下落的物质的涓涓细流，提出了一个需要解决的新难题。天体物理学家已经知道，并非所有被吸入星系的气体都会进入黑洞视界，因为星系风会向外推动这种吸积流。但是，解释这种极端锥形流动所需的风强度是不现实的。 “当我进行模拟时，我看不到大风，”Narayan 说。 “这不是完整解释正在发生的事情所需要的那种风。”
嵌套模拟
理解星系如何工作的部分挑战是恒星和黑洞的长度尺度与整个星系及其周围环境的尺度之间的巨大差异。在计算机上模拟物理过程时，研究人员会选择一个尺度并包括该尺度的相关影响。但在星系中，大小效应相互作用。
“与大星系相比，黑洞真的很小，你不能将它们全部放在一个巨大的模拟中，”纳拉扬说。 “每个政权都需要对方的信息，但不知道如何建立联系。”
为了尝试弥合这一差距，Narayan、Natarajan 及其同事正在启动一个项目，该项目将使用嵌套模拟来建立一个关于气体如何流经银河系和附近的活跃星系 Messier 87 的连贯模型。星系告诉黑洞该做什么，然后让来自黑洞的信息返回并告诉星系该做什么，”纳拉扬说。 “这是一个不断循环的循环。”
模拟应该有助于阐明星系内部和周围扩散气体的流动模式。 （詹姆斯韦伯太空望远镜对环银河介质的进一步观察也将有所帮助。）“这是整个生态系统的关键部分，”Quataert 说。 “你如何让气体进入黑洞以驱动所有能量回流？”
至关重要的是，在新方案中，不同规模的模拟之间的所有输入和输出必须保持一致，从而减少旋转的表盘。 “如果模拟设置正确，它将自行决定有多少气体应该到达黑洞，”纳拉扬说。 “我们可以调查它并问：为什么它没有吃掉所有的气体？为什么它如此繁琐，而且消耗的可用气体如此之少？”该小组希望在它们演化的不同阶段创建一系列星系的快照。
目前，关于这些银河系生态系统的大部分内容仍然是一种预感。 “这真的是一个新时代，人们开始思考这些重叠的场景，”杨说。 “我没有明确的答案，但我希望几年后我会。”
编者按：Priya Natarajan 目前在 Quanta 的科学顾问委员会任职。