气体变化揭示喷流的起始区域
天文学家研究了一个距离地球约4.2亿光年的巨型黑洞，并发现流向黑洞的物质发生了一处关键变化：相对较冷的气体盘在距中心约20个黑洞半径处终止，随后过渡为温度高达数亿摄氏度的等离子体。狭窄的喷流从这片内侧区域中涌出。
观测对象是3C120，它位于金牛座方向，中心黑洞的质量约为太阳的6000万倍。研究人员结合日本XRISM X射线天文卫星与国际射电望远镜网络的数据，将流入气体的结构与流出喷流成形的区域联系起来。
据东北大学公告介绍，研究团队首次使用XRISM和国际射电望远镜网络，对这一强大喷流源进行了同步观测。研究结果于日本时间2026年10月19日下午5时发表于《天体物理学杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters）。
这一结果回应了一个具体难题：一个快速吞噬物质的黑洞，如何同时驱动一股速度接近光速的气流？新发现的结构将较冷气体盘的中断、极热的内流以及从其中涌出的喷流联系起来。
为何吞噬物质的黑洞令人困惑
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宏是这项研究的通讯作者。团队研究了一个物质大量流入、同时存在强大外流喷流的系统。
一种主流解释认为，这些喷流与黑洞自转及其周围的磁场有关。按照这一理论，磁场可以从旋转的黑洞中提取能量，并以极高速度推动物质向外运动。
快速吸积让这一解释更难成立。研究人员一直在探讨，大量流入的物质是否会妨碍磁能积累，从而难以维持强大的喷流。因此，物质充足的系统对这一假设机制构成了严峻检验。
3C120为天文学家提供了研究这一过程两端的机会。物质正流向其中心黑洞，与此同时，喷流将部分物质和能量从周边区域带走。这项研究通过黑洞附近气体的结构，将这两个过程联系起来。
较冷气体盘的终点
团队的核心发现是，相对较冷的气体盘在距黑洞约20倍黑洞半径处终止。更靠近黑洞的地方，物质则呈现为温度高得多的等离子体流。东北大学表示，这正是从旋转黑洞提取能量的理论所预期的内流形态。
吸积盘是围绕致密天体运行、并向内移动的扁平物质结构。这个术语描述了物质如何聚集并流向中心天体。在这里，关键特征是吸积盘的内缘：较冷的气体盘尚未到达黑洞便已终止，其内侧空间由另一种流动形态占据。
在研究论文中，作者解释说，XRISM分辨出一条展宽的铁Fe-Kα发射线，其形状反映了轨道运动和引力红移的影响。通过拟合该线形，研究人员将吸积盘的内缘定位在17.4个引力半径处；在1σ置信水平下，不确定度为+6.3和−6.5个引力半径。引力半径是由黑洞质量决定的距离尺度。此前使用X射线CCD探测器进行的测量受限于能量分辨率，因此难以将吸积盘的谱线轮廓与窄铁吸收线以及来自遥远物质的反射区分开来。
等离子体是气体受到极强加热后形成的状态，此时电子从原子中分离，留下带电粒子。在数亿摄氏度的高温下，内流环境极端，磁场可以影响物质的运动。
研究人员还发现，喷流从吸积盘内缘所围定区域的内部涌出，并逐渐收窄为集中的流束。这种空间关系为流入物质与喷流提供了关键联系：气体过渡为炽热等离子体的位置，在喷流涌出位置的外侧。
论文将这项吸积盘测量结果与射电图像结合起来进行论证：将测得的喷流轮廓向黑洞视界方向外推，得到的喷流半径与吸积盘截断半径相当或更小。作者将这一几何结构解读为证据，表明喷流与冷的、几何上较薄且在约20个引力半径处截断的吸积盘内部热而几何上较厚的内流有关。这种较厚的内流可能维持大尺度磁场，使其通过布兰福德–日杰克过程提取旋转能量，即使黑洞正在快速吸积也不例外。但这只是一种可能的机制，尚未得到证实：现有证据涉及吸积盘与喷流的结构，并未直接证明喷流由磁场驱动形成。
两种光线共同描绘图景
XRISM和射电望远镜网络探测的是这一系统的不同部分。X射线携带黑洞附近高能物质的信息，射电观测则揭示喷流的结构。将两类测量结果结合起来，研究人员就能比较吸积区域与外流。
XRISM是X射线成像与光谱任务（X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission）的简称。该任务由日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）牵头开发，并与美国国家航空航天局（NASA）、欧洲空间局、大学和研究机构合作。其探测器可以极高精度地区分X射线能量，帮助天文学家研究遥远物质的物理状态。
光谱学按照能量或波长分解光线。就像可见光包含不同颜色一样，X射线也涵盖不同能量。测量这些差异，能让研究人员获得普通图像无法提供的信息。
射电望远镜网络则提供了极为精细的细节。它们将相距遥远的望远镜观测结合起来，产生的分辨能力相当于一台直径约为地球大小的望远镜。分辨率是区分相邻特征、而不是将它们混成一个模糊光点的能力。
这次协调观测行动汇集了不同日期的测量数据，并非所有观测都在同一时间进行。XRISM于2025年3月19日至24日（协调世界时）观测3C120，净曝光时间约为200千秒，即约56小时。全球毫米波VLBI阵列（GMVA）在86 GHz频率连续观测20小时，时间为2025年4月26日世界时9时至4月27日世界时5时。东亚甚长基线干涉测量网（EAVN）于2025年4月23日进行了22 GHz观测，而甚长基线阵（VLBA）的数据集则包括2025年2月、3月、4月和6月的观测时段。
横跨各大洲的望远镜网络
射电观测使用了三个工作在不同波长的网络。每个网络都以各自的天文台配置参与研究，拓展了单台望远镜或单个观测波段所能提供的研究范围。
- 全球毫米波甚长基线干涉测量阵列（GMVA）使用了分布于美国、欧洲、智利、韩国和格陵兰的18个站点，观测波长为3毫米。
- 甚长基线阵（VLBA）使用了美国境内的10个站点，观测波长为7毫米和2厘米。
- 东亚甚长基线干涉测量网（EAVN）使用了分布于日本、韩国和中国的10个站点，观测波长为1厘米。
VLBI指甚长基线干涉测量。这项技术将相距很远的射电望远镜接收到的信号结合起来，使研究人员能够重建天空中的极小结构。天文台之间的距离有助于决定该网络可以分辨多精细的细节。
这三种配置分别列出了18个、10个和10个参与站点。它们的贡献应结合其地理覆盖范围和不同的观测波长来理解，这些条件让研究人员能够在对3C120的同一项研究中获得多个射电观测视角。
从卫星发射到研究成果发表
XRISM进入轨道的时间比这项研究早约三年。这项任务让研究人员能够获取精确的X射线测量数据，并将其与成熟的国际射电望远镜网络数据配合使用。
- 2023年9月7日：XRISM搭乘H-IIA火箭47号发射升空。
- 2026年10月19日：研究于日本时间下午5时发表于《天体物理学杂志快报》。
- 2026年10月20日：东北大学发布公告，介绍吸积盘边缘、热等离子体流和喷流结构。
论文题为《吸积盘截断触发高吸积超大质量黑洞的相对论性喷流形成》（“Disk truncation triggers relativistic jet launching of a highly accreting supermassive black hole.”）。通俗地说，标题将较冷气体盘的终止，与一个正大量吸积物质的黑洞发射出速度接近光速的喷流联系起来。
这一结构为何与星系有关
巨型黑洞喷流对星系的形成和演化有重要影响，因为它们会将能量从中心区域带走。因此，弄清这些能量如何开始向外传播，是理解星系中心黑洞如何影响周边环境的一部分。
对3C120的观测将这一问题具体化为一种物质结构：较冷的气体盘在距黑洞约20个黑洞半径处终止，等离子体流占据内侧区域，喷流则从其中涌出。研究人员可以利用这一结构检验有关磁场和自转如何驱动外流的计算结果。
这一发现还将两个通常被分别描述的极端联系起来：黑洞吞噬物质，同时喷流将物质向外输送。在这一系统中，较冷气体向极热等离子体的转变为这两个过程提供了物理联系。
东北大学称，这一结果是理解黑洞自转如何驱动喷流的一步。接下来的工作是厘清其具体机制，包括磁场如何与炽热内流相互作用，并将能量传递给逃逸的流束。
要点
- 3C120的中心黑洞质量约为太阳的6000万倍，位于金牛座方向，距离地球约4.2亿光年。
- 相对较冷的气体盘在距中心约20个黑洞半径处终止，随后过渡为温度高达数亿摄氏度的等离子体。
- 狭窄的喷流从内侧区域中涌出，这与研究人员讨论的理论预期的空间结构相符。几何证据支持布兰福德–日杰克过程这一可能机制，但并未直接证明喷流由磁场驱动形成。
- 团队结合了XRISM于2025年3月19日至24日获取的观测数据，净曝光时间约为200千秒，以及2025年2月至6月期间开展的协调射电观测，其中包括4月26日至27日持续20小时的GMVA观测。
- 研究结果于2026年10月19日发表于《天体物理学杂志快报》。
