这把穿透宇宙的“利剑”，有100多个银河系那么长！

苟利军2024年10月15日约 12 分钟

艺术家笔下描绘的“波耳费里翁”

图片来源：E.Wernquist/D.Nelson/M.Oei

导读：

2024年9月18日，著名科学期刊《自然》（Nature）发表了一篇重磅论文，欧洲和美国的天文学家们通过最新的射电观测手段，发现了一个长达2300万光年（大约700万秒差距）的超长黑洞喷流，并将其命名为“波耳费里翁”（Porphyrion），这个词所指的是古希腊神话中的一位巨人。

这一发现不仅刷新了我们对黑洞喷流长度的认知，也为理解黑洞在宇宙大尺度结构中的作用提供了全新视角。作为迄今为止观测到的最长黑洞喷流，“波耳费里翁”喷流犹如一把穿透宇宙的“利剑”，揭示了黑洞喷流能够在极端环境中保持稳定、笔直传播的性质。

苟利军 | 撰文

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黑洞喷流是如何形成的？

提到黑洞，许多人首先想到的是它们巨大的引力：一旦任何物质越过视界，连光都无法逃脱。然而，在黑洞周围，常常存在着另一种截然不同的现象：喷流。

简单来说，黑洞喷流是黑洞周围吸积盘中的物质沿着黑洞自转轴方向高速喷射出的物质流。那么，这个过程是如何发生的呢？

黑洞吸积盘和喷流的艺术效果图（图片来源：NASA）

黑洞并非直接喷射物质，而是通过它们周围的吸积盘将物质抛出。吸积盘由围绕黑洞高速旋转的气体和尘埃组成。物质在旋转过程中，由于强烈的摩擦和碰撞，物质被加热至数百万甚至上亿度，变得极其炽热。当物质被黑洞的引力拉向事件视界时，强大的磁场将部分高能物质沿磁力线束缚，并以接近光速的速度从黑洞两极喷射出去，形成壮观的喷流。这一过程像一把巨大的“太空喷水枪”，不断地将超高能量的物质“射向”宇宙深处。

喷流的形成还与磁场和黑洞的自转密切相关。强磁场会将吸积盘内的物质像发条一样缠绕，当磁场足够强大时，物质就会沿着磁力线被抛出。

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什么决定了黑洞喷流的长度？

作为迄今为止发现最长的黑洞喷流，“波耳费里翁”喷流长度达到2300万光年，相当于114个银河系的长度总和（假设银河系的直径为20万光年），远远超出了此前我们对黑洞喷流的理解。

是什么决定了黑洞喷流的长度？为什么“波耳费里翁”喷流能够达到如此壮观的规模？

一般来说，黑洞喷流的长度取决于多个因素，包括：黑洞的能量供给、吸积盘的结构、喷流传播途中的星系际介质密度等。当黑洞的吸积盘释放出足够的能量时，喷流可以持续存在数百万甚至数亿年。

然而，在大多数情况下，喷流的传播会受到星系际介质（Inter-Galactic Medium，IGM）的阻力、磁场干扰和周围环境的影响，从而逐渐弯曲、分散，甚至完全消失。因此，此前观测到的最长喷流不过1630万光年（500万秒差距），差不多只有这次喷流长度的到三分之二。

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此次黑洞的喷流为何如此笔直？

在宇宙尺度上，喷流很容易受到各种干扰而发生弯曲或弥散掉。然而，“波耳费里翁”喷流不仅打破了长度纪录，还保持了惊人的笔直性。

“波耳费里翁”喷流的动画模拟（图片来源：Caltech）

为什么这次观测到的喷流能够在2300万光年的距离内依然保持笔直？这与喷流的磁场结构和黑洞的自旋轴稳定性密切相关。黑洞喷流内的强磁场不仅能够提供巨大的能量，还能维持喷流的稳定性，减少与星系际介质的相互作用。

同时，喷流的极高速度（接近光速）也让它能够迅速穿越外界环境，保持稳定。“波耳费里翁”喷流展示了黑洞喷流在特殊条件下的自稳能力，表明它们可以在宇宙尺度上长时间地保持完整。

此外，黑洞自旋轴的长期稳定性也至关重要。黑洞自转轴的稳定性则决定了喷流的方向和形态。如果黑洞的自转轴保持稳定，那么喷流就会沿着特定方向持续喷射，形成笔直的流体结构。如果黑洞在长达数十亿年的时间里自旋轴方向保持不变，喷流就不会发生显著偏移。这也解释了为什么“波耳费里翁”喷流在存在了大约20亿年后仍能保持笔直形态。

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这个超长的黑洞喷流，是如何被发现的？

“波耳费里翁”喷流的发现，是天文学家们借助先进射电望远镜和全球科研协作的结果。这一壮观的宇宙景象，得益于多项顶尖观测设备的联合探索，其中最为关键的是分布在欧洲的低频阵列射电望远镜——LOFAR（Low-Frequency Array）。

LOFAR专注于观测30 MHz至240 MHz频段的射电波，能够捕捉到宇宙深处极其微弱的信号，尤其擅长揭示星系间那庞大而神秘的结构。正是LOFAR的高灵敏度，使我们得以窥见这延展至2300万光年的喷流系统，揭示了这个庞然大物的轮廓。

LOFAR射电望远镜阵列拍摄的“波耳费里翁”（图片来源：LOFAR合作组织Martijn Oei）

为了进一步验证LOFAR的初步发现，科学家们转向印度的巨型米波射电望远镜（Giant Meterwave Radio Telescope，GMRT），这是世界上最大的射电望远镜之一，擅长捕捉中低频射电波。通过GMRT的高分辨率射电图像，研究团队得以细致描绘出喷流的结构与规模，展现了它如同宇宙长矛般穿越时空的壮丽画卷。

然而，喷流的故事并不止于此。科学家们使用凯克天文台（W. M. Keck Observatory，WMKO）和暗能量光谱仪（Dark Energy Spectroscopic Instrument，DESI），通过光学和光谱观测，精准地测定了喷流宿主星系的距离和质量。原来，这一喷流源自距地球约75亿光年外的一个巨型星系，其质量是银河系的十倍。

为了探寻更多类似的宇宙发现，研究团队不仅依赖于设备力量，还借助了机器学习算法与全球公民科学家的帮助。通过扫描海量射电图像，机器学习精准识别出那些宇宙深处的微弱喷流，而公民科学家的参与则进一步确认了这些结构的真实性。这种科技与人类智慧的协作，最终使得“波耳费里翁”喷流得以展现。

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如此又长又直的黑洞喷流，意味着什么？

“波耳费里翁”喷流的发现，不仅刷新了我们对黑洞喷流寿命的理解，还揭示了超大质量黑洞在宇宙演化中可能扮演的更加重要的角色。

此外，“波耳费里翁”还表明，在特定条件下，黑洞喷流可以突破这些限制，延伸到更大的尺度。它的发现意味着中心黑洞具有极高的能量供给能力，同时该喷流可能穿越了一个相对稀薄的星系际介质环境，从而减少了外界干扰对喷流的影响。

这一发现为我们提供了一个全新的视角，让我们看到了黑洞不仅在星系内部具有强大的影响力，它们的活动甚至可以跨越数千万光年的距离，改变整个宇宙网（Cosmic Web）的物质和磁场分布。

宇宙网的模拟图（图片来源：Illustris Collaboration）

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与当年拍黑洞照片有何不同？

与2019年首次拍摄到的黑洞照片（即M87星系中心的超大质量黑洞阴影）相比，“波耳费里翁”喷流虽然也是关于黑洞的重要天文观测，但两者在观测目的和科学意义上有显著的区别和联系：

1. 观测目标的明显差别

首先，两次观测目标都有比较明显的差别。事件视界望远镜（Event Horizon Telescope，EHT）团队拍摄到的黑洞照片展示了位于M87星系中心的超大质量黑洞的“阴影”和其周围的吸积盘。这些图像首次直观地展示了黑洞的事件视界，以及强大引力场对周围光线的弯曲效应，证实了爱因斯坦广义相对论的预言。

2019年拍摄到的黑洞照片（图片来源：事件视界望远镜团队）

“波耳费里翁”黑洞喷流观测的目标是研究黑洞喷流的形成、演化及其对星系际介质的影响。这个喷流系统展示了黑洞在极大尺度上释放能量的能力，其规模达到了2300万光年，远远超出了单个星系的范围，甚至影响到整个宇宙网的结构（达到了66%宇宙网半径）。这一发现为我们理解黑洞在宇宙大尺度结构中的作用提供了新的视角。

2. 观测设备的不同

其次，拍摄黑洞照片使用的是事件视界望远镜，它结合了全球多个射电望远镜组成的虚拟口径，相当于地球大小的望远镜阵列。EHT主要观测毫米波段的射电波长，能够分辨出黑洞周围的超高能量物质释放区域及事件视界的轮廓。

而“波耳费里翁”喷流的发现，是通过低频射电望远镜阵列以及印度的大型米波射电望远镜等设备观测的。与EHT聚焦于黑洞附近的极小尺度不同，这些射电望远镜能够捕捉到黑洞喷流在几千万光年尺度上的辐射情况，揭示了喷流在星系际介质中的传播特性。

3. 分别展示了黑洞“静态”与“动态”

最后，黑洞照片展示了黑洞的“静态”性质，即其事件视界附近的结构。而“波耳费里翁”喷流揭示了黑洞的“动态”行为，即黑洞如何在极大尺度上影响其周围环境。

同时，这两项观测共同表明了黑洞不仅在小尺度上具有强大的引力作用，而且在大尺度上通过喷流等机制对星系及宇宙网产生影响。黑洞照片验证了爱因斯坦的广义相对论，而“波耳费里翁”喷流的观测则为研究黑洞与星系之间的反馈机制、黑洞如何通过喷流影响宇宙网的结构提供了新的证据。这两者相结合，有助于构建一个更为完整的黑洞物理学理论。

未来的研究可能会尝试将这两种不同尺度的观测结合起来，进一步揭示黑洞从小尺度（事件视界）到大尺度（喷流影响）的物理机制。这将需要更高分辨率的望远镜（如改进版的EHT）和更广泛的射电观测网络（如平方公里阵列望远镜SKA），以同时研究黑洞的微观和宏观现象。

相关研究可以参考2023年上海天文台领导的M87黑洞的全景照片项目，不仅是得到了黑洞的照片，还得到了黑洞喷流的照片。不过相比较而言，黑洞的全景照片还是在黑洞周围比较小的范围之内。

2023年上海天文台领导拍摄到的M87黑洞全景照片（图片来源：中国科学院上海天文台）

总而言之，黑洞照片和“波耳费里翁”喷流分别展示了黑洞在不同尺度上的神秘面貌，它们之间的研究相辅相成，共同推动我们对宇宙中最极端天体的理解。

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为什么要研究黑洞喷流？

黑洞喷流作为宇宙中最壮观的现象之一，研究它们不仅可以加深我们对黑洞及其周围环境的理解，还可以揭示黑洞与星系之间复杂的相互作用。研究黑洞喷流具有几个科学意义：

1. 揭示黑洞吸积和物质转移机制

黑洞喷流的形成与黑洞的吸积过程密切相关。通过研究喷流的结构、强度和成分，科学家可以深入了解黑洞如何吸积物质、如何将部分物质重新抛入宇宙空间。

2. 探索黑洞对星系和星系团的影响

黑洞喷流会将巨大的能量和物质注入星系际空间，影响周围星系际介质的温度、密度和磁场分布。这种“反馈机制”在星系演化中扮演着至关重要的角色，甚至可能影响星系内恒星的形成和星系的演化。

3. 揭示宇宙网的结构和演化

像“波耳费里翁”喷流这样的超长喷流可以穿越宇宙网的各个部分，影响宇宙网的磁场分布和物质流动。研究这些喷流可以帮助我们理解宇宙网的形态、演化以及黑洞在宇宙大尺度结构中的作用。

4. 推动射电天文学的发展

观测到如此长的黑洞喷流，离不开先进的射电望远镜技术。未来更高灵敏度、更高分辨率的望远镜将使我们能够探测到更多类似的超长喷流，揭示它们与宇宙大尺度结构的关系。

“波耳费里翁”喷流的发现为我们提供了一个独特的窗口，让我们看到了黑洞喷流在宇宙大尺度上的强大影响力。它不仅让我们重新审视黑洞与星系之间的关系，还提示我们黑洞可能在更广泛的宇宙结构中发挥作用。

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研究黑洞喷流的中国天文学家

在全球范围内，黑洞喷流的研究一直是天文学的前沿课题，而中国天文学家在这一领域的研究也逐渐崭露头角。

近年来，中国天文学界在黑洞喷流和射电天文领域取得了令人瞩目的成就。位于中国贵州的500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，FAST）作为世界上最大、灵敏度最高的单口径射电望远镜，已经在探测黑洞喷流、脉冲星和快速射电暴等天文现象方面取得了重大进展。

FAST的高灵敏度使得中国科学家能够深入研究黑洞喷流的形成、演化及其与周围环境的相互作用。

与此同时，中国的X射线天文研究也取得了重要突破。2017年发射的“慧眼”硬X射线调制望远镜（Hard X-ray Modulation Telescope，HXMT）是中国首颗自主研发的大型X射线天文卫星。通过“慧眼”，科学家们可以精确地观测黑洞及其喷流的X射线辐射，深入了解黑洞周围的极端物理环境，如喷流的粒子加速机制、辐射过程以及吸积盘的演化特性。这些数据不仅有助于理解黑洞喷流的内在机制，也为全球黑洞研究提供了宝贵的观测资料。

此外，中国还积极参与了国际天文项目的合作。比如中欧合作的增强型X射线时变与偏振探测卫星（enhanced X-ray Timing and Polarimetry mission，eXTP）项目，计划在未来几年后发射。该项目将进一步提升我们对黑洞、脉冲星等致密天体物理过程的理解，特别是黑洞喷流的磁场结构和极端环境下的物质状态。

eXTP示意图

（图片来源：中国科学院高能物理研究所）

同时，中国还参与了平方公里阵列射电望远镜（Square Kilometer Array，SKA）的建设，这将进一步提升对宇宙中黑洞喷流现象的观测精度。

这些努力不仅提升了中国在黑洞喷流研究中的地位，也展示了中国天文学家在多波段天文观测和国际合作中的实力。未来，随着更多高灵敏度天文设备的投入使用，中国将在黑洞喷流、射电天文学和X射线天文学领域继续发挥重要作用，为人类理解宇宙的奥秘作出更多贡献。

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还有更多惊喜值得探索

此次“波耳费里翁”喷流的发现刷新了我们对黑洞喷流的理解，但它只是揭开了冰山一角。

未来，随着更多高灵敏度望远镜的投入使用，我们将能够探测到更多隐藏在宇宙中的长喷流，揭示它们与宇宙大尺度结构的关系。此外，黑洞喷流的成分和能量传输机制也将成为未来研究的热点。

关于黑洞的研究远未结束。我们还需要弄清楚黑洞的形成与演化过程、喷流的启动机制、黑洞如何与星系共生演化，以及它们在整个宇宙演化中扮演的角色。

可以预见，未来，在全世界天文学界的共同努力下，我们将迎来更多关于黑洞的惊喜发现，让我们更能理解这个神秘宇宙的真相。

本文首发于微信公众号“科学大院”，赛先生获授权转载。

作者简介：

苟利军，中国科学院国家天文台研究员。

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