研究黑洞噴流有什麼用？未來，黑洞還會帶給我們多少驚喜？

2024年9月18日，著名科學期刊《自然》（Nature）發表了一篇重磅論文，歐洲和美國的天文學家們通過最新的射電觀測手段，發現了一個長達2300萬光年的超長黑洞噴流，並將其命名爲“波耳費裡翁”（Porphyrion），這個詞所指的是古希臘神話中的一位巨人。

LOFAR射電望遠鏡陣列拍攝的“波耳費裡翁”

（圖片來源：LOFAR合作組織Martijn Oei）

這一發現不僅刷新了我們對黑洞噴流長度的認知，也爲理解黑洞在宇宙大尺度結構中的作用提供了全新視角。作爲迄今爲止觀測到的最長黑洞噴流，“波耳費裡翁”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境中保持穩定、筆直傳播的性質。

閱讀貼士：

就此次重磅發現，我們策劃了“迄今最長黑洞噴流”系列，分3篇文章，分別從黑洞噴流的發現、黑洞噴流的形成與黑洞噴流的研究價值三個角度，爲你解讀此次科學成果，帶你瞭解關於黑洞噴流的故事。

黑洞噴流作爲宇宙中最壯觀的現象之一，研究它們不僅可以加深我們對黑洞及其周圍環境的理解，還可以揭示黑洞與星系之間複雜的相互作用。研究黑洞噴流具有幾個科學意義：

1、揭示黑洞吸積和物質轉移機制：

黑洞噴流的形成與黑洞的吸積過程密切相關。通過研究噴流的結構、強度和成分，科學家可以深入瞭解黑洞如何吸積物質、如何將部分物質重新拋入宇宙空間。

2、探索黑洞對星系和星系團的影響：

黑洞噴流會將巨大的能量和物質注入星系際空間，影響周圍星系際介質的溫度、密度和磁場分佈。這種“反饋機制”在星系演化中扮演着至關重要的角色，甚至可能影響星系內恆星的形成和星系的演化。

3、揭示宇宙網的結構和演化：

像“波耳費裡翁”噴流這樣的超長噴流可以穿越宇宙網的各個部分，影響宇宙網的磁場分佈和物質流動。研究這些噴流可以幫助我們理解宇宙網的形態、演化以及黑洞在宇宙大尺度結構中的作用。

4、推動射電天文學的發展：

觀測到如此長的黑洞噴流，離不開先進的射電望遠鏡技術。未來更高靈敏度、更高分辨率的望遠鏡將使我們能夠探測到更多類似的超長噴流，揭示它們與宇宙大尺度結構的關係。

“波耳費裡翁”噴流的發現爲我們提供了一個獨特的窗口，讓我們看到了黑洞噴流在宇宙大尺度上的強大影響力。它不僅讓我們重新審視黑洞與星系之間的關係，還提示我們黑洞可能在更廣泛的宇宙結構中發揮作用。

在全球範圍內，黑洞噴流的研究一直是天文學的前沿課題，而中國天文學家在這一領域的研究也逐漸嶄露頭角。

近年來，中國天文學界在黑洞噴流和射電天文領域取得了令人矚目的成就。位於中國貴州的500米口徑球面射電望遠鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST），作爲世界上最大、靈敏度最高的單口徑射電望遠鏡，已經在探測黑洞噴流、脈衝星和快速射電暴等天文現象方面取得了重大進展。

FAST的高靈敏度使得中國科學家能夠深入研究黑洞噴流的形成、演化及其與周圍環境的相互作用。

與此同時，中國的X射線天文研究也取得了重要突破。2017年發射的“慧眼”硬X射線調製望遠鏡（Hard X-ray Modulation Telescope, HXMT）是中國首顆自主研發的大型X射線天文衛星。

通過“慧眼”，科學家們可以精確地觀測黑洞及其噴流的X射線輻射，深入瞭解黑洞周圍的極端物理環境，如噴流的粒子加速機制、輻射過程以及吸積盤的演化特性。這些數據不僅有助於理解黑洞噴流的內在機制，也爲全球黑洞研究提供了寶貴的觀測資料。

此外，中國還積極參與了國際天文項目的合作。比如中歐合作的增強型X射線時變與偏振探測衛星（enhanced X-ray Timing and Polarimetry mission, eXTP）項目，計劃在未來幾年後發射。該項目將進一步提升我們對黑洞、脈衝星等緻密天體物理過程的理解，特別是黑洞噴流的磁場結構和極端環境下的物質狀態。

同時，中國還參與了平方公里陣列射電望遠鏡（Square Kilometer Array, SKA）的建設，這將進一步提升對宇宙中黑洞噴流現象的觀測精度。

這些努力不僅提升了中國在黑洞噴流研究中的地位，也展示了中國天文學家在多波段天文觀測和國際合作中的實力。未來，隨着更多高靈敏度天文設備的投入使用，中國將在黑洞噴流、射電天文學和X射線天文學領域繼續發揮重要作用，爲人類理解宇宙的奧秘作出更多貢獻。

“波耳費裡翁”噴流的發現刷新了我們對黑洞噴流的理解，但它只是揭開了冰山一角。

未來，隨着更多高靈敏度望遠鏡的投入使用，如平方公里陣列望遠鏡SKA和中國的增強型X射線時變與偏振探測衛星eXTP，我們將能夠探測到更多隱藏在宇宙中的長噴流，揭示它們與宇宙大尺度結構的關係。此外，黑洞噴流的成分和能量傳輸機制也將成爲未來研究的熱點。

關於黑洞的研究遠未結束。我們還需要弄清楚黑洞的形成與演化過程、噴流的啓動機制、黑洞如何與星系共生演化，以及它們在整個宇宙演化中扮演的角色。

可以預見，未來，在全世界天文學界的共同努力下，我們將迎來更多關於黑洞的驚喜發現，讓我們更能理解這個神秘宇宙的真相。

出品：科普中國

作者：苟利軍（中國科學院國家天文臺）

監製：中國科普博覽