在银河系的中心潜伏着一个阴暗的巨人，一个超大质量黑洞，它吞噬着恒星和气体。与所有黑洞一样，这个黑洞也是一个贪婪的食客，周围堆积着它无法立即消耗的物质——一个吸积盘，一个由摩擦加热的气体漩涡，在巨人的嘴边盘旋。现在，新的观测暗示了在银河系中心黑洞周围存在着前所未见的较冷区域，为我们星系的黑暗心脏打开了一个新的窗口。
尽管大多数星系的中心都存在这些所谓的星系核——超大质量黑洞仍然是一个宇宙谜团。因为它们拥有足以捕获光线的引力，黑洞根据定义是无法真正直接看到的东西。为了发现和研究它们，科学家们必须依赖黑洞与其他物体的引力相互作用。得益于我们自身星系的庞大尺寸和相对接近性，天文学家甚至可以瞥见其引力如何引导气体流向它的咽喉。
“这是首次表明吸积具有旋转方向，”新泽西州普林斯顿高等研究院的理论天体物理学家埃琳娜·穆尔奇科娃说，她是一项研究的主要作者，该研究报告了6月5日发表在《自然》杂志上的新结果。穆尔奇科娃和她的同事使用了阿塔卡玛大型毫米/亚毫米波阵列（ALMA）在2015年收集的数据，发现了非常靠近黑洞的物质的薄吸积盘，该吸积盘正在向内螺旋输送物质流。早期的研究表明，在离黑洞较远的地方存在一个较温暖的气体盘，它可能为新发现的较冷盘提供物质。
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尽管研究人员之前能够瞥见银河系黑洞周围的温暖气体盘，但他们以前从未能够直接测量该盘的旋转。“这是首次看到直接围绕黑洞流动的证据，”罗杰·布兰福德说，他是该研究的共同作者，并因其对黑洞研究的贡献而闻名。目前关于银河系超大质量黑洞（称为人马座A*）如何消耗其气体的模型依赖于对吸积流的确切分布的假设，并且没有一个模型处理冷气体，这阻碍了我们理解我们星系的阴暗巨人究竟是如何吞噬其食物的。通过追踪较冷气体的运动，这项新研究为希望进行更大胆的理论飞跃的研究人员提供了更坚实、基于数据的基础。
“这太令人惊叹了，”加州大学洛杉矶分校的理论天体物理学家斯马达尔·瑙兹说，她没有参与这项研究。瑙兹是加州大学洛杉矶分校银河中心小组的成员，她对冷气体的起源及其与银河中心恒星和其他物体的潜在相互作用非常感兴趣。瑙兹怀疑，即使是对人马座A*周围环境的更深入探测也可能导致我们对宇宙中更难观测的超大质量黑洞的理解取得突破。“如果我们能够理解事物是如何协同工作的，也许我们可以对其他星系核有一个好的了解，”她说。人们认为，这些星系核中的黑洞有助于塑造星系和星系团的整体结构、组成和演化。了解它们行为的复杂性可能会揭示关于宇宙中一些最大和最重要的结构是如何形成的 фундаментальные new details。
研究人马座A*周围的冷气体流甚至可能解决G2之谜，G2是一个奇怪的物体，科学家们曾经预测它会在2014年与黑洞近距离接触时被撕裂。令他们惊讶的是，G2并没有被黑洞的引力撕碎，而是相对毫发无损地度过了围绕巨人的危险之旅，这使得一些研究人员认为它是一个被遮蔽的恒星，而不是一团尘埃。瑙兹和其他理论家现在可以尝试将G2建模为恒星或云，因为它与冷碎片盘相互作用，或许最终可以解释其奇异的行为并确定其真实性质。瑙兹说，甚至有可能G2和其他类似物体正在为该盘提供物质。“这是理论家的梦想，一个新的谜题，我们可以解决，”她说。
一项有争议的结果
探测超大质量黑洞周围的区域是一项挑战，目前只有ALMA能够胜任这项任务（其他项目，如事件视界望远镜射电阵列，也可以放大观察人马座A*，但目前无法瞥见那里的冷气体）。穆尔奇科娃说，来自人马座A*附近的辐射比来自冷气体的信号亮约2000倍。她将其比作对着太阳拿着蜡烛拍照，然后减去阳光。“你需要一台非常完美的相机才能做到这一点，”她说。ALMA符合要求。
部分原因是只有一台仪器能够如此彻底地探测这个难以捉摸的区域，并非所有人都相信穆尔奇科娃和她的同事们实际上已经发现了冷盘。马克斯·普朗克地外物理研究所（MPE）的黑洞研究资深人士莱因哈德·根泽尔曾担任该论文的审稿人，他说，当他第一次看到结果时，“非常感兴趣”，因为以前没有人能够观察到如此靠近黑洞的气体的旋转。尽管ALMA提供了其他仪器无法比拟的令人难以置信的细节，但他质疑该设施最近的观测是否会证实冷云的存在。他说，尚未出现此类证实性数据。同样，MPE的天文学家斯特凡·吉勒森在2012年领导团队发现了G2，他说新的观测结果补充了他和他的同事自2004年以来对银河中心进行的观测。然而，吉勒森的观测结果没有显示出冷气体的迹象。
穆尔奇科娃说，在吉勒森的数据中没有冷气体应该不足为奇。虽然结合多年的观测可以锐化人马座A*的视野，但这种方法并不能保证能够梳理出极其微弱的信号。“我们有一个项目，除了ALMA之外，没有任何其他方法可以做到，”她说。自2011年首次投入使用以来，该望远镜已经升级和扩展，这可以解释为什么早期的ALMA观测，如吉勒森的观测，可能会错过气体。
环绕星系中心的冷气体盘也应该以独特、可辨别的方式影响其周围环境。例如，吉勒森说，这样一个盘很可能影响了G2穿越银河中心。他说，尽管该物体有所减速，但没有显示出与未见的气体盘碰撞或撞击的迹象。夏威夷中央研究院天文与天体物理研究所的天文学家杰夫·鲍尔在2013年使用ALMA和其他仪器研究了G2，他也表示他的团队没有看到该物体与冷气体相互作用的证据。
然而，瑙兹不相信云会对G2产生强烈影响。该盘非常稀薄，质量在太阳质量的10到10万分之一之间，分布在黑洞周围巨大的空间体积中。因此，她说，它可能根本无法对G2产生太大影响。“这就像用子弹射穿云层，”她说。“子弹不在乎。” 穆尔奇科娃说，即使冷气体确实轻推了G2，轨道上的变化也将是微不足道到无法察觉的。
穆尔奇科娃和她的同事计划再次使用ALMA研究假定的冷气体储层，这次由于该仪器最近的更新，分辨率甚至更高。详细的观测可能有助于解释另一个谜团——为什么气体比预期的要亮得多——同时为难以捉摸的冷物质团提供第二次证实性的瞥见。
与此同时，这项新研究正在为银河系中心和宇宙其他地方的星系中正在发生的事情提供一个有趣但有争议的探测。“人马座A*是黑洞吸积物理学的终极实验室，”鲍尔说。“每一个新的信息都更好地描绘了气体落入我们黑洞的非常复杂的过程。这为我们全面了解黑洞和星系如何在宇宙历史中增长提供了信息。”