如何从超大质量黑洞喷流中发现奇怪物理现象? 【博科园-科学科普(关注“博科园”看

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【博科园-科学科普(关注“博科园”看更多)】超大质量黑洞潜伏在大多数星系的中心，常被描述为“野兽”或“怪物”。但尽管如此，它们还是“”无形”的。为了证明它们是存在的，天文学家通常必须测量环绕这些区域的气体云的速度。但是这些物体有时会通过强大的喷射物的产生而感受到它们的存在，它们携带的能量如此之大，以至于它们能够比宿主星系的恒星发出的所有光都相形见绌。我们知道这些“相对论喷射”是两束等离子体(物质由带电粒子组成，尽管没有总电荷)，以非常接近光速的速度向相反的方向移动。

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半人马座A的喷流，图片版权:ESO/WFI(Optical); MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al. (Submillimetre);NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al. (X-ray, CC BY-SA

然而这些宇宙“喷泉”的物理学一直是个谜。现在新论文发表在《自然天文学》杂志上，揭示了它们非同寻常的外观的原因。使相对论喷流与众不同的是它们令人印象深刻的稳定性:从一个巨大的黑洞(没有返回的地方)出现，并传播到足够远的地方，从它们的宿主星系中分离出来，同时保持它们的形状很长一段时间。这对应的长度是其初始半径的10亿倍--从这个角度来看，想象一个水喷泉从一个1厘米宽的软管流出，并保持1万公里的不间断。一旦喷流在距离它们的起源很远的地方传播，它们就失去了连贯性，并发展出通常类似于羽状或裂片的扩展结构。这表明喷流经历了某种程度的不稳定性，足以完全改变它们的外观。

第一个天体物理学喷流发现于1918年由美国天文学家希柯蒂斯，他注意到“连续好奇雷…显然与物质的原子核由细线”在巨型椭圆星系M87。上世纪70年代，剑桥大学(University of Cambridge)伯尼·法纳洛夫(Bernie Fanaroff)和朱莉娅·赖利(Julia Riley)的两位天文学家研究了一组大型黑洞喷流。他们发现可以分为两类:一类是含有射流的喷流，亮度随着距离的增加而降低，而那些在边缘处变得更亮的射流。总的来说后者的亮度大约是前者的100倍。它们在末端的形状都稍有不同--第一个就像一个燃烧的羽流，第二个就像一个细细的湍流。为什么有两种不同类型的喷气机仍然是一个活跃的研究领域。

当射流物质被黑洞加速时，它的速度达到光速的99.9%。当一个物体移动得如此之快时，时间就会膨胀--换句话说，由一个外部观察者测量的射流的时间流就会像爱因斯坦的狭义相对论所预测的那样慢下来。正因为如此，喷流的不同部分之间的相互交流需要更长的时间，比如在相互影响或相互影响的过程中。这有效地保护了喷流不受干扰。然而，这种沟通的缺失不会永远持续下去。当射流从黑洞喷射出来时，它会向侧面膨胀。这种膨胀使射流内部的压力减小，而周围气体的压力也没有减小。

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星系核心是一个超大质量黑洞的概念图，图片版权:NASA

最终外部的气体压力超过了射流内部的压力，通过挤压使气流收缩。如果喷流的某些部分在此期间变得不稳定，可以交换这个信息，不稳定会扩散到影响整个光束。飞机的扩张和收缩过程还有另一个重要的后果:气流不再沿着直线，而是沿着弯曲的路径。弯曲的气流很可能会受到“离心不稳定性”的影响，这意味着它们开始形成漩涡状结构，称为旋涡。直到最近这才被认为是对天体物理喷射的关键。事实上，详细的计算机模拟显示，相对论性射流由于离心不稳定而变得不稳定，这最初只影响到它们与银河气体的界面。

一旦它们由于外部压力而收缩，这种不稳定就会扩散到整个星系。这种不稳定性是如此的灾难性，以至于喷流无法在这一点上存活下来，并给了一个狂暴的羽流。从这个角度来看，能更好地了解天体物理喷射的稳定性。它还可以帮助解释Fanaroff和Riley发现的两类谜一样的飞机--这完全取决于它离星系的距离有多远。用计算机模拟了这些喷射流的样子，这是基于我们对这些宇宙射线的物理学的新理解，它们非常像在天文观测中看到的两个类。在星系中心居住的巨大的野生动物还有很多需要了解的地方。但渐渐地揭开了他们的神秘面纱，显示出他们确实是完全守法和可预测的。

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