快速吸积的黑洞揭示关键的内部边界
一个距离地球约4.2亿光年的超大质量黑洞，其强大喷流可能与落向黑洞的物质形态和温度变化有关。对星系3C 120的观测显示，其相对冷、扁平的吸积盘在抵达黑洞前便已终止，留下一个充满温度高得多的等离子体的内部区域，强磁场可能在此聚集。
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由东北大学副教授野田博文和名古屋市立大学副教授羽田和弘领导的团队，将日本X射线成像与光谱任务（简称XRISM）的观测数据，与三个国际射电望远镜网络的测量结果结合起来。这些仪器共同揭示了落入物质的结构与黑洞附近喷出的狭窄喷流之间的联系。
这项研究于2026年10月19日发表在《天体物理学杂志快报》上，探讨了一个谜题：黑洞如何在快速吞噬物质的同时，还能以接近光速喷出强大的等离子体流？人们一直认为，快速吸积时预期形成的吸积盘不太适合聚集这一过程所需的磁场。
东北大学于10月20日发布的研究公告提出了一种可能的解释：较冷的外部吸积盘向炽热的内部流动过渡，形成有利条件，使磁场能够从黑洞自转中汲取能量，并将其导入喷流。
3C 120为何令人费解
3C 120位于金牛座方向。其中心黑洞的质量约为太阳的6000万倍，既在快速吞噬周围物质，也在产生强大喷流。这种组合使它成为研究吸积与喷流产生如何关联的理想目标。
靠近黑洞的物质通常带有一定的侧向运动，因此会向内旋转，而不是径直落入黑洞。物质聚集成吸积盘，摩擦和其他过程会加热其中的物质，使其发出光和其他辐射。天文学家通过研究这些辐射，了解无法直接观测的区域。
一般认为，快速吸积会形成相对较冷、几何上较薄的吸积盘，并延伸至黑洞附近。这里所说的“冷”，是相对于中心附近温度高得多的等离子体而言。薄盘的垂直厚度远小于其宽度，就像一张扁平的薄片。
难点在于磁场。关于强大喷流的一种主流解释认为，旋转黑洞附近需要有强磁场。人们认为薄盘难以维持所需的磁场结构。而温度更高、厚度更大的内流则更有利于形成这种环境，因此，吸积盘发生形态转变的位置成为研究的关键。
XRISM通过铁元素观测吸积盘
日本宇宙航空研究开发机构的XRISM任务探测到来自3C 120黑洞周围物质中铁元素的X射线。铁会在特定能量下产生辐射，在X射线光谱中形成可辨认的特征，称为发射线。光谱会按照辐射能量对其进行区分。
靠近黑洞时，铁发射线的形状会发生变化。朝向或背离观测者运动的物质，会改变观测者接收到的辐射能量。黑洞附近的强引力也会改变逃逸X射线的能量。这些效应共同使发射线变宽并发生扭曲。
研究人员利用这种扭曲估算相对较冷的吸积盘向内延伸的距离。该大学称，吸积盘内缘距黑洞约20个黑洞半径。论文中的科学表述则将这一边界描述为约20个引力半径，这是一种依据黑洞质量确定的距离尺度。
研究团队推断，边界以内会过渡为炽热、几何上较厚的内流。他们认为那里的等离子体温度可达数亿摄氏度。等离子体是电子从原子中分离出来的气体，因此能与磁场发生强烈相互作用。
射电望远镜追踪喷流向内延伸
大约同期进行的射电观测补全了另一半图景。研究团队使用全球毫米波甚长基线干涉测量阵列、甚长基线阵列和东亚甚长基线干涉测量网络，追踪喷流向黑洞延伸时逐渐变窄的过程。
这些网络通过甚长基线干涉测量（VLBI）结合相距甚远的望远镜所进行的测量。与单台射电望远镜相比，这种方法能让天文学家分辨精细得多的细节。在这项研究中，它帮助研究人员追踪喷流的起源。
研究人员根据喷流的形状估算，其基部半径不超过约10个黑洞半径。综合分析后，他们认为喷流起源于X射线测量所识别的炽热内流区域，位置靠近黑洞。
共同领导这项研究的东北大学副教授野田博文解释了结合这些观测为何重要：
通过用最先进的X射线和射电望远镜观测同一个黑洞，我们得以同时看到环绕黑洞的炽热等离子体和从中喷出的喷流。这让我们能够直接把黑洞附近的极端环境与喷流的形成联系起来。
自转如何为喷流提供能量
研究团队提出的解释将三种要素联系起来：旋转的黑洞、炽热的流入等离子体，以及强磁场。较冷的外部吸积盘提供物质。靠近黑洞处，温度更高、厚度更大的内流形成一个更容易聚集磁场的区域。
这些磁场随后可能提取黑洞的一部分自转能，并将其导入狭窄的等离子体流中。这一过程的主流理论解释称为“布兰福德—兹纳杰克机制”。简单来说，磁场将黑洞附近的旋转环境与向外加速的物质连接起来。
因此，喷流在黑洞附近获得能量，同时其他物质继续向内落入黑洞。这一系统包含两种相互关联的运动：物质向内流入，以及携带能量向外流入周围星系的物质流。
对于3C 120，研究人员提出，从较薄的外部吸积盘到较厚的内部流动的转变，使这两种运动能够并存。磁场的具体结构，以及自转能如何传递给喷流，仍有待进一步研究。
结构变化串联起各项测量
论文标题《吸积盘截断触发高吸积率超大质量黑洞的相对论性喷流发射》概括了研究提出的关联。“吸积盘截断”是指较冷的薄盘在抵达黑洞前便已终止。“相对论性”则描述速度之快，以至于理解其运动必须运用爱因斯坦的相对论。
X射线测量确定了较冷吸积盘的内边界，射电测量则追踪喷流，发现其延伸至边界以内的区域。综合来看，这些观测为研究人员提供了一种空间层面的解释，说明快速吸积的系统如何维持有利于形成强大喷流的条件。
这比单纯发现同一对象周围存在吸积盘和喷流更为具体。该研究将吸积盘结构的变化与喷流起始的位置联系起来，把向内流入和向外流出的物质纳入同一物理图景。
3C 120的一大优势是其吸积率相对较高。研究将它与M87等吸积较弱的活动星系进行对比。在M87中，炽热、厚实的流动已为喷流产生的磁场解释提供了支持。新发现则将这项研究拓展到了不同的吸积环境。
这一发现为何不止关乎一个星系
喷流会将能量带离超大质量黑洞的周边区域。当它们与星系内部及周围的气体相互作用时，可能改变恒星形成的条件。因此，理解黑洞附近的能量引擎，有助于研究更大尺度上的变化。
3C 120的研究发现，为不同尺度之间的联系提供了具体例证：流入物质的结构可能有助于决定强大喷流能否形成。黑洞附近的一个边界，可能影响能量如何输送到远处。
研究团队正在利用XRISM和全球射电观测站，对一个质量更大的黑洞开展进一步的联合观测。研究人员还计划将测量结果与理论模型和计算机模拟进行比较，以检验所提出的几何结构能否充分解释物质和磁场的行为。
野田博文介绍了下一阶段的目标：
我们的下一个目标是更全面地描绘物质、磁场与黑洞自转在这些极端环境中的相互作用。理解这一过程，也可能有助于我们进一步了解超大质量黑洞如何影响星系乃至宇宙中更大尺度结构的演化。
论文发表与后续观测
这项研究结合了日本的X射线任务和覆盖多个地区的射电望远镜网络。两类互补测量是研究方法的关键：X射线揭示吸积流的状况，射电观测则追踪喷流结构。
论文发表情况及后续计划如下：
- 2026年10月19日：《天体物理学杂志快报》发表了由野田和羽田领导的研究。
- 2026年10月20日：东北大学发布研究发现，并介绍了结合X射线与射电观测的情况。
- 下一阶段：研究团队正在对一个质量更大的黑洞开展联合观测，并将结果与模型和模拟进行比较。
该论文的DOI为10.3847/2041-8213/aeaa2c。相关发表信息也列于官方研究公告中。将同样的观测方法应用于另一个黑洞，研究团队便能检验3C 120中发现的结构转变是否也出现在其他系统中。
要点
- XRISM和三个射电望远镜网络观测了距离地球约4.2亿光年的3C 120。
- 该星系的黑洞质量约为太阳的6000万倍，正在快速吞噬物质，同时喷出强大喷流。
- X射线测量显示，较冷的薄盘在抵达黑洞前便已终止，向温度高得多的内流过渡。
- 射电观测将喷流起源追踪至炽热内流所在区域。
- 研究团队提出，聚集在该区域的磁场可以汲取黑洞自转能，为喷流提供动力。
- 后续观测将研究一个质量更大的黑洞，并通过理论模型和模拟检验这一解释。
