快速吸積的黑洞揭示關鍵的內部邊界
一個距離地球約 4.2 億光年的超大質量黑洞，其強力噴流可能源自落向黑洞的物質在形態與溫度上的變化。對星系 3C 120 的觀測顯示，相對低溫、扁平的吸積盤在抵達黑洞前便已終止，留下由高溫電漿構成的內部區域，強磁場可能在此聚集。
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由東北大學副教授野田博文（Hirofumi Noda）與名古屋市立大學副教授羽田和弘（Kazuhiro Hada）共同領導的團隊，結合日本 X 射線成像與光譜任務 XRISM 的觀測，以及三個國際射電望遠鏡網的測量結果。這些儀器共同揭示了落入物質的結構，以及從黑洞附近射出的狹窄噴流。
研究成果於 2026 年 10 月 19 日刊登於《天文物理期刊快報》（The Astrophysical Journal Letters），探討一個難題：黑洞如何在快速吞噬物質的同時，還能以接近光速射出強大的電漿流？過去認為，快速吸積時預期形成的吸積盤，不利於聚集此一過程所需的磁場。
東北大學於 10 月 20 日發布的研究公告提出一種可能的解釋：較冷的外部吸積盤轉變為高溫內流，形成有利條件，使磁場得以汲取黑洞的旋轉能量，並將能量導入噴流。
3C 120 為何令人費解
3C 120 位於金牛座方向。其中心黑洞質量約為太陽的 6,000 萬倍，既快速吞噬周遭物質，也會產生強力噴流。這種組合使它成為研究吸積與噴流形成如何相互關聯的理想目標。
接近黑洞的物質通常帶有側向運動，因此會向內繞行，而不是直接墜落。物質聚集成吸積盤，摩擦及其他作用會將其加熱，使它發出光線與其他輻射。天文學家藉由研究這些輻射，了解無法直接觀察的區域。
一般預期，快速吸積會形成相對低溫、幾何上較薄，且延伸至黑洞附近的吸積盤。這裡所說的低溫，是相較於中心附近高溫得多的電漿而言。薄盤的垂直厚度遠小於其寬度，就像一片扁平的薄板。
難題在於磁場。解釋強力噴流的一項主流理論，要求旋轉中的黑洞附近存在強磁場。一般認為，薄盤難以維持所需的磁場結構。高溫、較厚的內流則更有利於磁場形成，因此吸積盤轉變形態的位置成為這項研究的核心。
XRISM 透過鐵元素解析吸積盤
日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）的 XRISM 任務，偵測到 3C 120 黑洞周遭物質所發出的鐵元素 X 射線。鐵會在特定能量下產生輻射，在 X 射線光譜中形成稱為發射線的特徵。光譜會依照能量區分輻射。
鐵線經過黑洞附近時會改變形狀。朝向或遠離觀測者移動的物質，會使觀測到的輻射能量產生位移。黑洞附近的強大重力也會改變逃逸 X 射線的能量。這些效應共同使鐵線展寬並扭曲。
研究人員利用這種扭曲估算相對低溫的吸積盤向內延伸的距離。東北大學指出，吸積盤內緣距黑洞約 20 倍黑洞半徑。論文則以約 20 個重力半徑描述這道邊界；重力半徑是依黑洞質量計算的距離尺度。
研究團隊推斷，邊界內側的物質會轉變為高溫、幾何上較厚的內流。據信其中的電漿溫度可達數億度。電漿是電子已與原子分離的氣體，因此物質能與磁場產生強烈交互作用。
射電望遠鏡追蹤噴流向內延伸
同一時期進行的射電觀測補足了另一半圖像。研究團隊使用全球毫米波 VLBI 網（Global Millimeter VLBI Array）、甚長基線陣列（Very Long Baseline Array）及東亞 VLBI 網（East Asian VLBI Network），追蹤噴流朝黑洞方向逐漸收窄的情形。
這些網絡透過甚長基線干涉測量（VLBI），整合相距遙遠的望遠鏡所取得的數據。這種方法能分辨比單一射電望遠鏡更精細的細節。在這項研究中，它協助研究人員追蹤噴流至其源頭。
研究人員根據噴流形狀估算，其基部半徑不超過約 10 個黑洞半徑。綜合分析顯示，噴流源自 X 射線測量辨識出的高溫內流之中，位置靠近黑洞。
共同主持研究的東北大學副教授野田博文說明，結合觀測的重要性：
透過以最先進的 X 射線與射電望遠鏡觀測同一個黑洞，我們得以看見環繞黑洞的高溫電漿，以及從中射出的噴流。這讓我們能直接連結黑洞附近的極端環境與噴流形成。
旋轉如何為噴流提供能量
研究團隊提出的解釋，連結了三項要素：旋轉中的黑洞、高溫流入電漿，以及強磁場。較冷的外部吸積盤供應物質。物質越接近黑洞，越高溫、越厚的內流便提供更容易累積磁場的區域。
磁場接著可能汲取部分黑洞的旋轉能量，並將能量導入狹窄的電漿流。對此過程的主流理論稱為布蘭福德–茲納傑克機制（Blandford-Znajek mechanism）。簡單來說，磁場將黑洞附近的旋轉環境與向外加速的物質連結起來。
因此，噴流在黑洞附近獲得能量，同時其他物質仍持續向內落入。這使系統呈現兩種相互關聯的運動：物質向內流入，能量則透過向外的流動傳入周遭星系。
研究人員提出，對 3C 120 而言，外部薄盤轉變為內部厚流，使這兩種運動得以並存。確切的磁場結構，以及旋轉能量如何轉移至噴流，仍有待進一步研究。
結構變化串起觀測結果
論文標題「吸積盤截斷觸發高吸積率超大質量黑洞發射相對論性噴流」（「Disk truncation triggers relativistic jet launching of a highly accreting supermassive black hole」），點出研究提出的關聯。吸積盤截斷是指較冷的薄盤在抵達黑洞前便已終止。相對論性則描述速度快到必須運用愛因斯坦的相對論才能充分理解的運動。
X 射線測量定位了較冷吸積盤的內部邊界，射電測量則追蹤噴流，發現其延伸至邊界內側的區域。綜合觀測結果，研究人員得以從空間位置解釋快速吸積的系統如何維持有利於形成強力噴流的條件。
這比單純在同一天體周遭發現吸積盤與噴流更進一步。這項研究將吸積盤結構的變化與噴流起始位置連結起來，讓流入與流出的物質得以納入同一套物理圖像。
3C 120 特別有助於研究，因為它的吸積率相對較高。研究將它與 M87 等吸積率較低的活躍星系作比較；在 M87，高溫、較厚的內流已為磁場解釋噴流形成提供支持。這項新成果則將相關研究延伸至不同的吸積環境。
這項成果為何不只關乎單一星系
噴流會將能量帶離超大質量黑洞周遭。一旦與星系內部及周圍的氣體交互作用，噴流便可能改變恆星形成的條件。因此，了解黑洞附近的能量引擎，有助於研究更大尺度上的變化。
3C 120 的研究成果具體呈現了這些尺度之間的關聯：流入物質的結構可能影響強力噴流能否形成。靠近黑洞的一道邊界，可能左右能量如何傳送至遠處。
研究團隊正運用 XRISM 與全球射電觀測站，對另一個質量更大的黑洞進行協同觀測。研究人員也計畫將測量結果與理論模型及電腦模擬比較，檢驗所提出的幾何結構能否充分解釋物質與磁場的行為。
野田說明了下一階段的目標：
我們接下來的目標，是更完整地描繪物質、磁場與黑洞旋轉如何在這些極端環境中交互作用。了解這個過程，也可能幫助我們更深入理解超大質量黑洞如何影響星系及宇宙更大尺度結構的演化。
論文發表與後續觀測
這項研究結合日本的 X 射線任務，以及橫跨多個地區的射電望遠鏡網。兩者互補的測量結果是研究方法的關鍵：X 射線揭示吸積流的狀況，射電觀測則追蹤噴流結構。
論文發表與後續研究規劃如下：
- 2026 年 10 月 19 日：《天文物理期刊快報》刊登由野田與羽田領導的研究。
- 2026 年 10 月 20 日：東北大學公布研究成果，並說明結合 X 射線與射電觀測的內容。
- 下一階段：研究團隊正協同觀測另一個質量更大的黑洞，並將結果與模型及模擬比較。
論文 DOI 為 10.3847/2041-8213/aeaa2c。這些發表資訊也列於官方研究公告。將相同觀測方法用於另一個黑洞，將使研究團隊能檢視 3C 120 中發現的結構轉變是否也出現在其他系統。
重點摘要
- XRISM 與三個射電望遠鏡網共同觀測距離地球約 4.2 億光年的 3C 120。
- 該星系的黑洞質量約為太陽的 6,000 萬倍，在快速吞噬物質的同時發射強力噴流。
- X 射線測量顯示，較冷、較薄的吸積盤在抵達黑洞前便已終止，轉變為高溫得多的內流。
- 射電觀測將噴流源頭追蹤至高溫內流所在區域。
- 研究團隊提出，聚集於該處的磁場可汲取黑洞旋轉能量，為噴流提供動力。
- 後續觀測將研究另一個質量更大的黑洞，並透過理論模型與模擬檢驗這項解釋。
