宇宙中幾乎每個大型星系的中心都存在一個超大質量黑洞，其質量從數百萬到數十億倍太陽質量不等。黑洞通過吞噬周圍物質不斷增長，但同時也會噴射出強大的能量噴流，這些噴流加熱周圍氣體並延緩新恆星的形成，從而影響整個星系的演化進程。這一現象長期困擾著研究人員：當黑洞噴射噴流並將周圍氣體驅散到遠處時，它本應消耗的「燃料」也隨之流失，為何黑洞不會因此「斷糧」，反而能夠持續增長？
研究證實黑洞與冷凝氣體之間的關聯
為瞭解釋這一謎題，研究人員此前提出了一種假設：被熱量吹散的氣體在星際空間中逐漸冷卻，凝結成細長的絲狀結構，隨後這些絲狀物質重新落回黑洞附近。一項最新發表的研究為驗證這一想法提供了關鍵證據。由蒙特利爾大學教授朱莉·赫拉瓦切克-拉龍多領銜的國際研究團隊，對半人馬座星系團中的中心星系 NGC 4696 進行了觀測，首次直接證明瞭這類絲狀結構與中心黑洞之間的關聯。
NGC 4696 距離地球約 1.45 億光年，此前已被廣泛觀測，其中心黑洞周圍存在一個 S 形螺旋結構。本次研究中，團隊利用詹姆斯·韋伯空間望遠鏡的近紅外光譜儀對該星系中心區域進行了約 8 小時的持續觀測，分辨精度足以識別直徑僅約 30 光年的結構。若將一個直徑 30 萬光年的星系縮小到足球場大小，那麼這次觀測的分辨能力相當於在 50 公里外識別出場上放置的一顆彈珠。
觀測結果顯示，這個 S 形螺旋結構其實是一個圍繞黑洞旋轉的氣體盤。該氣體盤直徑約 800 光年，在黑洞巨大引力的拉扯下，氣體以每秒數百公里的速度旋轉。研究團隊測得氣體盤兩側邊緣的速度差約為每秒 600 公里。更重要的是，觀測清晰顯示由冷凝氣體形成的絲狀物質直接流入氣體盤邊緣，氣體沿著這些絲狀通道行進，在盤中匯聚，最終作為「燃料」輸送給黑洞。這一完整路徑首次被直接可視化。
黑洞的自我維持循環被直接觀測到
赫拉瓦切克-拉龍多表示：「韋伯望遠鏡揭示的是，黑洞或許是宇宙中終極的回收者。它們釋放出巨量能量加熱周圍環境，而這些氣體隨後又能冷卻成細絲落回內部，重新餵養黑洞。我們終於親眼看到了這個自我維持的循環在運作。」研究團隊還進行了計算機模擬，進一步揭示了其中的物理機制。
當絲狀氣體落向黑洞時，被拉伸的磁場如同繩索一般產生扭矩，消除氣體的角動量，使氣體能夠落入盤中而非被甩散。模擬還顯示，接收下落絲狀物質的氣體盤並不會保持固定的空間朝向。由於絲狀氣體從多個不同方向流入，氣體盤的軸線會發生擺動，導致能量噴流的方向也隨之偏移。這使得噴流能夠更均勻地加熱星系團中心區域，而非集中在單一方向，從而防止氣體過度冷卻。
研究人員同時指出，在其他星系團中心星系中，若黑洞產生的能量噴流更為強勁，噴流能量可能大到根本無法形成氣體盤，周圍氣體將處於混沌狀態。換言之，黑洞活動強度的差異能夠從根本上改變周圍氣體的行為模式。本次發表的研究是基於韋伯望遠鏡觀測數據的三篇系列論文中的首篇，聚焦於温度約 10000 開爾文的相對温暖氣體，另外兩篇分析其他温度氣體行為的論文目前正在準備中。
這一發現還促成了韋伯望遠鏡額外觀測計劃的獲批，以及全球多台望遠鏡的協同觀測安排。研究人員正在加速搜尋證據，以確定類似的宇宙回收系統是否也在其他星系中運作。
