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2024年9月18日，著名科學(xué)期刊《自然》（Nature）發(fā)表了一篇重磅論文，歐洲和美國(guó)的天文學(xué)家們通過最新的射電觀測(cè)手段，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)長(zhǎng)達(dá)2300萬光年的超長(zhǎng)黑洞噴流，并將其命名為“波耳費(fèi)里翁”（Porphyrion），這個(gè)詞所指的是古希臘神話中的一位巨人。

LOFAR射電望遠(yuǎn)鏡陣列拍攝的“波耳費(fèi)里翁”

（圖片來源：LOFAR合作組織Martijn Oei）

這一發(fā)現(xiàn)不僅刷新了我們對(duì)黑洞噴流長(zhǎng)度的認(rèn)知，也為理解黑洞在宇宙大尺度結(jié)構(gòu)中的作用提供了全新視角。作為迄今為止觀測(cè)到的最長(zhǎng)黑洞噴流，“波耳費(fèi)里翁”噴流猶如一把穿透宇宙的“利劍”，揭示了黑洞噴流能夠在極端環(huán)境中保持穩(wěn)定、筆直傳播的性質(zhì)。

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閱讀貼士：

就此次重磅發(fā)現(xiàn)，我們策劃了“迄今最長(zhǎng)黑洞噴流”系列，分3篇文章，分別從黑洞噴流的發(fā)現(xiàn)、黑洞噴流的形成與黑洞噴流的研究?jī)r(jià)值三個(gè)角度，為你解讀此次科學(xué)成果，帶你了解關(guān)于黑洞噴流的故事。

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黑洞噴流是如何形成的？

提到黑洞，許多人首先想到的是它們巨大的引力：一旦任何物質(zhì)越過視界，連光都無法逃脫。然而，在黑洞周圍，常常存在著另一種截然不同的現(xiàn)象：噴流。

簡(jiǎn)單來說，黑洞噴流是黑洞周圍吸積盤中的物質(zhì)沿著黑洞自轉(zhuǎn)軸方向高速噴射出的物質(zhì)流。那么，這個(gè)過程是如何發(fā)生的呢？

黑洞并非直接噴射物質(zhì)，而是通過它們周圍的吸積盤將物質(zhì)拋出。吸積盤由圍繞黑洞高速旋轉(zhuǎn)的氣體和塵埃組成。物質(zhì)在旋轉(zhuǎn)過程中，由于強(qiáng)烈的摩擦和碰撞，物質(zhì)被加熱至數(shù)百萬甚至上億度，變得極其熾熱。當(dāng)物質(zhì)被黑洞的引力拉向事件視界時(shí)，強(qiáng)大的磁場(chǎng)將部分高能物質(zhì)沿磁力線束縛，并以接近光速的速度從黑洞兩極噴射出去，形成壯觀的噴流。這一過程像一把巨大的“太空噴水槍”，不斷地將超高能量的物質(zhì)“射向”宇宙深處。

噴流的形成還與磁場(chǎng)和黑洞的自轉(zhuǎn)密切相關(guān)。強(qiáng)磁場(chǎng)會(huì)將吸積盤內(nèi)的物質(zhì)像發(fā)條一樣纏繞，當(dāng)磁場(chǎng)足夠強(qiáng)大時(shí)，物質(zhì)就會(huì)沿著磁力線被拋出。

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是什么決定了黑洞噴流的長(zhǎng)度？

“波耳費(fèi)里翁”噴流之所以引人矚目，除了因?yàn)樗拈L(zhǎng)度創(chuàng)下了紀(jì)錄外，還因?yàn)樗故玖撕诙磭娏髟谟钪嬷心軌蛴绊懙姆秶畯V。2300萬光年的長(zhǎng)度，相當(dāng)于114個(gè)銀河系的長(zhǎng)度總和(假設(shè)銀河系的直徑為20萬光年)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了此前我們對(duì)黑洞噴流的理解。

是什么決定了黑洞噴流的長(zhǎng)度？為什么“波耳費(fèi)里翁”噴流能夠達(dá)到如此壯觀的規(guī)模？

一般來說，黑洞噴流的長(zhǎng)度取決于多個(gè)因素，包括：黑洞的能量供給、吸積盤的結(jié)構(gòu)、噴流傳播途中的星系際介質(zhì)密度等。當(dāng)黑洞的吸積盤釋放出足夠的能量時(shí)，噴流可以持續(xù)存在數(shù)百萬甚至數(shù)億年。

然而，在大多數(shù)情況下，噴流的傳播會(huì)受到星系際介質(zhì)（Inter-Galactic Medium, IGM）的阻力、磁場(chǎng)干擾和周圍環(huán)境的影響，從而逐漸彎曲、分散，甚至完全消失。因此，此前觀測(cè)到的最長(zhǎng)噴流不過1630萬光年（500萬秒差距），差不多只有這次噴流長(zhǎng)度的到三分之二。

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此次的黑洞噴流為何如此筆直？

此前天文學(xué)家們觀測(cè)到的黑洞噴流長(zhǎng)度大多不超過上千萬光年，因?yàn)樵谟钪娉叨壬?，噴流很容易受到各種干擾而發(fā)生彎曲或彌散掉。然而，“波耳費(fèi)里翁”噴流不僅打破了長(zhǎng)度紀(jì)錄，還保持了驚人的筆直性。

這讓我們不禁好奇：為什么這次觀測(cè)到的噴流能夠在2300萬光年的距離內(nèi)依然保持筆直？

這與噴流的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)和黑洞的自旋軸穩(wěn)定性密切相關(guān)。黑洞噴流內(nèi)的強(qiáng)磁場(chǎng)不僅能夠提供巨大的能量，還能維持噴流的穩(wěn)定性，減少與星系際介質(zhì)的相互作用。同時(shí)，噴流的極高速度（接近光速）也讓它能夠迅速穿越外界環(huán)境，保持穩(wěn)定。此次發(fā)現(xiàn)的“波耳費(fèi)里翁”噴流展示了黑洞噴流在特殊條件下的自穩(wěn)能力，表明它們可以在宇宙尺度上長(zhǎng)時(shí)間地保持完整。

此外，黑洞自旋軸的長(zhǎng)期穩(wěn)定性也至關(guān)重要。黑洞自轉(zhuǎn)軸的穩(wěn)定性則決定了噴流的方向和形態(tài)。如果黑洞的自轉(zhuǎn)軸保持穩(wěn)定，那么噴流就會(huì)沿著特定方向持續(xù)噴射，形成筆直的流體結(jié)構(gòu)。如果黑洞在長(zhǎng)達(dá)數(shù)十億年的時(shí)間里自旋軸方向保持不變，噴流就不會(huì)發(fā)生顯著偏移。這也解釋了為什么“波耳費(fèi)里翁”噴流在存在了大約20億年后仍能保持筆直形態(tài)。

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發(fā)現(xiàn)如此又長(zhǎng)又直的黑洞噴流，意味著什么？

“波耳費(fèi)里翁”噴流的發(fā)現(xiàn)，不僅刷新了我們對(duì)黑洞噴流壽命的理解，還揭示了超大質(zhì)量黑洞在宇宙演化中可能扮演的更加重要的角色。

此外，“波耳費(fèi)里翁”還表明，在特定條件下，黑洞噴流可以突破這些限制，延伸到更大的尺度。它的發(fā)現(xiàn)意味著中心黑洞具有極高的能量供給能力，同時(shí)該噴流可能穿越了一個(gè)相對(duì)稀薄的星系際介質(zhì)環(huán)境，從而減少了外界干擾對(duì)噴流的影響。

這一發(fā)現(xiàn)為我們提供了一個(gè)全新的視角，讓我們看到了黑洞不僅在星系內(nèi)部具有強(qiáng)大的影響力，它們的活動(dòng)甚至可以跨越數(shù)千萬光年的距離，改變整個(gè)宇宙網(wǎng)的物質(zhì)和磁場(chǎng)分布。