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资料来源：网络整理时间：2023/3/9 3:33:37 共计：3575 浏览

它们是如何形成的？

黑洞绝对是宇宙中最复杂的结构之一。它们把物理学的界限推到它们的临界点，并继续用新的奥秘来吸引我们。其中一个是从它们中射出的喷流，这些喷流似乎是从黑洞中心附近的疯狂旋转中射出的。最近的研究揭示了喷流及其工作方式，以及它们对宇宙的影响。

图注：黑洞喷流

基础知识

我们看到的大多数射流来自位于星系中心的超大质量黑洞（SMBH），虽然恒星质量黑洞也有喷流，但很难看到。这些喷流从它们驻住的星系平面垂直射出物质，其速度接近光速。大多数理论预测，这些喷流产生于围绕SMBH的吸积盘中的旋转物质，而不是来自实际的黑洞。当物质与SMBH周围旋转物质产生的磁场相互作用时，它沿着磁场线向上或向下，进一步变窄和加热，直到获得足够的能量使其向外逃逸。在喷流中逸出的物质也会释放X射线，因为这些逃逸物质已经被电离。

图注：位于星系中心的超大质量黑洞（SMBH）发出的喷流。

最近的一项研究似乎证实了喷流和吸积盘之间的联系。科学家们观察了那些碰巧有喷流直接指向地球的主动星系核，检查了喷流中的光，并将其与吸积盘的光进行了比较。虽然许多人认为区分两者很难，但喷流大部分是伽马射线，而吸积盘主要在X射线和可见光。在利用费米天文台检查了217个耀变星体后，科学家们绘制了射流的光度与吸积盘的光度的对比图。数据清楚地显示了一个直接关系，喷流的能量比吸积盘大。这可能是因为吸积盘中存在更多的物质，会产生更大的磁场，从而增加喷流的能量。

从吸积盘到成为喷流的一部分需要多长时间？Poshak Gandhi 博士和使用 NuSTAR 和 ULTRACAM 的团队共同协作进行的一项研究，研究了 V404 Cygni 和 GX 339-4，这两个较小的双星系统位于 7，800 光年之外，具有活动性，可以提供良好的基线信息。V404 具有 6个太阳质量黑洞，而 GX 具有 12 个太阳质量，由于能量输出，吸积盘的特性很容易被识别。

一旦爆发发生，NuSTAR 寻找 X 射线，而ULTRACAM 探测可见光，然后比较整个事件中的信号。从吸积盘到喷流，信号之间的差值仅为0.1秒，相对论速度约为19，000英里的距离，恰好相是吸积盘的大小。进一步的观测显示，V404的喷流实际上是旋转的，与黑洞的吸积盘不一致。由于时空的帧拖曳，吸积盘的质量可能拉动喷流。

图注：V404 Cygni 和 GX 339-4为双星系统，用NuSTAR 寻找 X 射线，用ULTRACAM 探测可见光。

更酷的发现是，恒星大小的黑洞和SMBH似乎都有对称的喷流。科学家们在利用SWIFT和费米太空望远镜检查了天空中的一些伽马射线源，发现有些来自SMBHs，而另一些来自恒星大小的黑洞后，意识到了这一点。总共检查了234个活跃的星系核和74个伽马射线爆发。根据射线离开的速度，它们来自极地喷流，其大小输出大致相同。也就是说，如果你绘制黑洞的大小到喷流输出，这是一个线性关系。

图注：哈勃望远镜

最终，使喷流发生的最佳方式之一是将两个星系碰撞在一起。一项使用哈勃太空望远镜的研究检查了合并过程中的星系，或者刚刚完成的，发现相对论的喷流以接近光速飞行并引起高射线波发射，这些合并都来自于这些合并。然而，并非所有的合并都会导致这些特殊的喷流和其他属性，如自旋、质量和方向。

同一黑洞的不同侧面

从喷流生成的一般X射线量表示喷气流的力量，从而表示其大小。但那是什么关系呢？科学家在2003年开始注意到两个总的趋势，但不知道如何调和它们。有些是窄喷流，有些是宽喷流。它们表示不同类型的黑洞吗？理论需要修改吗？事实证明，它可能是黑洞有行为变化，允许它们在两个状态之间进入的一个简单的例子。

图注：黑洞喷流组成

南安普敦大学的迈克尔·科里亚特和他的团队见证了一个黑洞经历着这样的变化。来自SRON的彼得·乔克和伊娃·拉蒂使用钱德拉和扩展的超大型阵列的数据，发现更多的黑洞表现出类似的行为。现在，科学家们对窄喷流和宽喷流之间的关系有了更好的理解，从而使科学家能够开发更详细的模型。

喷流里有什么？

现在，喷流中的物质将决定它们的力量。较重的物质很难加速，许多喷流以接近光速离开星系。这并不是说重型物质不能出现在喷流中，因为它们只能因为能源需求而以较慢的速度移动。在系统4U 1630-47中，情况似乎就是这样，这个系统有一个恒星质量黑洞和一颗伴星。

图注：4U 1630-47是一个恒星质量黑洞和一颗伴星系统。

玛丽亚·迪亚斯·特里戈（Maria Diaz Trigo ）和她的团队研究了4U 1630-47系统，在 2012 年XMM-牛顿天文台记录的X射线和来自它的无线电波，并将其与澳大利亚望远镜紧凑型阵列（ATCA）的当前观测结果进行了比较。他们发现了高速和高度电离铁原子的特征，特别是Fe-24和Fe-25，尽管在喷流中也检测到了镍。科学家们注意到其光谱的变化，其速度接近光速的2/3，因此他们得出结论，在喷流中存在这种物质。

图注：XMM-牛顿天文台的太空望远镜

由于许多黑洞都位于这样的系统中，因此这种情况可能很常见。值得注意的是，喷流中存在电子，因为它们的质量比原子核小，因此携带的能量更少。

这似乎解决了许多关于喷流的谜团。没有人质疑它们是由物质构成的，但究竟是轻（电子）还是重（重）是一个重要的区别。科学家可以从其他观测结果中看出，这些喷流有负电荷的电子。但是根据所测的电磁的读数，这些喷流还带正电荷，所以必须包括某种形式的离子或正电子。

此外，以这样的速度发射较重的物质需要更多的能量，因此，通过了解这些成分，科学家可以更好地了解喷流所展示的能量。此外，这些喷流似乎来自黑洞周围的吸积盘，而不是黑洞自旋的直接结果。最后，如果大多数喷流是较重的物质，那么与它和外层气体碰撞可能导致中微子形成，这解决了其他中微子的来源的部分谜团。

喷流的影响

那么这些喷流对它们的环境有什么影响呢？很多。喷流会与周围的惰性气体碰撞并加热，在提高气体温度的同时，向太空释放巨大的气泡。在某些情况下，喷流可以在被称为Hanny’s Voorwerp的地方开始形成恒星。大多数时候，大量的气体离开星系。

图注：M106（也称为NGC 4258）是一个位于猎犬座的螺旋星系，由于星系发射出X射线，意味着有一个超大质量黑洞位于星系的核心。

当科学家用斯皮策望远镜观察M106时，他们得到了很好的证明。他们观察到了加热的氢，这是喷流活动的结果。SMBH周围的气体中几乎有2/3被从星系中喷出，因此它制造新恒星的能力正在减弱。除此之外，在接近可见波长时，也检测到了螺旋臂，发现它们在撞击较冷的气体时，是由喷流的冲击波形成的。这些可能是星系变椭圆，变老，充满红星而没有产生新的恒星的原因。

图注：NGC 1433是一个拥有双重环状结构的棒旋星系，位于时钟座，距离地球约3000万光年。

当 ALMA 查看 NGC 1433 和 PKS 1830-221 时，发现了有关此潜在结果的更多证据。在NGC 1433事件中，ALMA发现喷流携带着物质从SMBH中心延伸超过150光年。解释PKS1830-221的数据被证明是具有挑战性的，因为它是一个遥远的物体，并且被一个前景星系引力透镜。但是，来自太空观测站、FERMI和ALMA的查默斯科技大学的伊万·马蒂-维达尔和他的团队迎接了挑战。他们共同发现，伽马射线和亚毫米无线电频谱的变化与落在喷流基部附近的物质相对应。这些如何影响他们周围的环境仍然未知。

图注：ALMA望远镜建在智利北方沙漠，2013年3月全部竣工并投入使用。

一个可能的结果是，喷流阻止椭圆星系中未来的恒星生长。它们中有很多足够冷的气体，应该能够恢复恒星的生长，但中央喷流实际上会把气体的温度升高到足以防止气体凝结成原恒星。在查看赫歇尔空间天文台观测到的椭圆星系和非活跃的SMBHs的观测结果后，科学家们得出这一结论。似乎由喷流形成的快速无线电波也创造了一种反馈脉冲，进一步防止恒星的形成。根据ALMA对凤凰星系团的观测，唯一形成恒星的地方是在气泡的外围。在那里，冷气体正在凝结，随着喷流将形成恒星的气体推出，它可以为新恒星的形成创造一个合适的环境。

图注：凤凰星系团

事实上，SMBH的喷流不仅能产生这些气泡，还可能影响它们附近的恒星在中央凸起的旋转。这是一个星系与其SMBH的近距离区域，科学家们多年来已经知道，隆起越大，其中的恒星移动得越快。戈达德航天飞行中心的弗朗塞斯科·汤梅西领导的研究人员，在用XMM-牛顿天文台的太空望远镜观察了42个星系后，找出了罪魁祸首。是的，你猜对了：喷流。当他们从膨胀的气体中发现那些铁同位素时，他们发现了这一点，这表明了这种联系。当喷流撞击附近的气体时，能量和物质导致流出，通过能量的传递影响恒星运动，导致速度加快。

图注：WISE1029，一个尘埃遮蔽的星系

但是等一下！这种喷流通过启动或发育迟缓影响编队的画面并不像我们想象的那么清晰。ALMA对WISE1029（一个尘埃遮蔽的星系）的观测证据显示，其SMBH的射流是由电离气体构成，电离气体应该影响它周围的一氧化碳，从而产生恒星的生长，但它并没有。这会改变我们对喷流的理解吗？也许，也许不是。它是一个奇异的离群值，目前还没有发现其他跟它类似的星系。

图注：NGC1377星系

想了解更多？科学家在NGC1377星系发现一股喷流，发现一个超大质量的黑洞。该黑洞的有500光年长度，有60光年宽，并以每小时50万英里的速度飞行。乍一看这里没什么大不了的，但当进一步检查时，发现喷流是凉爽、稠密的，并且以螺旋状、喷雾的方式退出。科学家假设气体可能以不稳定的速度流入，或者另一个黑洞拉扯并造成奇怪的模式。

多少能量？

当然，任何关于黑洞的讨论都不完整，除非找到与期望相反的东西。 MQ1是在南风车星系（M 83）中发现的恒星质量黑洞。这个黑洞似乎有一条绕过爱丁顿极限的捷径，或黑洞在切断太多自身燃料之前可以输出的能量。它基于大量的辐射，使黑洞影响有多少物质可以落入它，从而减少辐射后，一定量的能量离开黑洞。这个极限是基于黑洞质量的计算，但基于有多少能量被看到离开这个黑洞将需要一些修正。

图注：南风车星系（M 83）中发现的恒星质量黑洞

这项研究由国际射电天文学研究中心的罗伯托·索里亚夫领导，基于钱德拉的数据，帮助发现了黑洞的质量。受喷流冲击物质冲击波产生的无线电辐射有助于计算喷流的净动能，由哈勃望远镜和澳大利亚望远镜紧凑型阵列记录。无线电波越亮，喷流与周围物质的撞击能量就越高。他们发现，被送入太空的能量是正常情况下的2-5倍，黑洞是如何作弊的还不清楚。

另一个考虑因素是物质离开黑洞。这些物质是以相同的速率离开，还是波动？更快的部分是否碰撞或超于较慢的部分？这就是黑洞喷流的内部冲击模型所预测的，但证据却很难找到。科学家需要发现喷流本身的一些波动，并跟踪亮度的变化。

图注：活跃的3C264（NGC 3862）星系

星系3C264（NGC 3862）提供了这样的机会，在20年的时间里，科学家跟踪到了以接近98%的光速的物质离开。在快速移动的物质团赶上减速的团块后，它们相碰撞，并导致亮度增加 40%。科学家还发现了一个类似冲击波的特征，并确实验证了模型，可以部分解释直到现在为止看到的不稳定的能量读数。

喷流在周围弹跳

Cygnus A给天体物理学家带来了一个惊喜：在这个位于6亿光年外的椭圆星系内，有一个SMBH，它的喷流在它里面弹跳！根据钱德拉的观测，星系边缘的热点是喷流撞击高电荷物质的结果。不知何故，SMBH在它周围创造了一个空隙，长达10万光年，宽26，000光年，带电物质在它之外作为叶，形成了一个密集的区域。这可以将击中它的喷流重定向到辅助位置，沿边缘创建多个热点。

图注：喷流在Cygnus A星系中弹跳。不同的方法？

应该指出的是，ALMA最近对1400万光年外的Circhinus星系的观测，该喷流模型与传统的模型不同。黑洞周围的冷气似乎在接近事件视界时被加热，但在某一点获得足够的热量后，使其电离并以喷流的形式逸出后，物质会冷却并回落到吸积盘中，在垂直于旋转盘的循环中重复该过程。这是一个罕见的或常见的事件还有待观察。

图注：Circhinus星系

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