它們是如何形成的？

黑洞絕對(duì)是宇宙中最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)之一。它們把物理學(xué)的界限推到它們的臨界點(diǎn)，并繼續(xù)用新的奧秘來吸引我們。其中一個(gè)是從它們中射出的噴流，這些噴流似乎是從黑洞中心附近的瘋狂旋轉(zhuǎn)中射出的。最近的研究揭示了噴流及其工作方式，以及它們對(duì)宇宙的影響。

圖注：黑洞噴流

基礎(chǔ)知識(shí)

我們看到的大多數(shù)射流來自位于星系中心的超大質(zhì)量黑洞（SMBH），雖然恒星質(zhì)量黑洞也有噴流，但很難看到。這些噴流從它們駐住的星系平面垂直射出物質(zhì)，其速度接近光速。大多數(shù)理論預(yù)測(cè)，這些噴流產(chǎn)生于圍繞SMBH的吸積盤中的旋轉(zhuǎn)物質(zhì)，而不是來自實(shí)際的黑洞。當(dāng)物質(zhì)與SMBH周圍旋轉(zhuǎn)物質(zhì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用時(shí)，它沿著磁場(chǎng)線向上或向下，進(jìn)一步變窄和加熱，直到獲得足夠的能量使其向外逃逸。在噴流中逸出的物質(zhì)也會(huì)釋放X射線，因?yàn)檫@些逃逸物質(zhì)已經(jīng)被電離。

圖注：位于星系中心的超大質(zhì)量黑洞（SMBH）發(fā)出的噴流。

最近的一項(xiàng)研究似乎證實(shí)了噴流和吸積盤之間的聯(lián)系。科學(xué)家們觀察了那些碰巧有噴流直接指向地球的主動(dòng)星系核，檢查了噴流中的光，并將其與吸積盤的光進(jìn)行了比較。雖然許多人認(rèn)為區(qū)分兩者很難，但噴流大部分是伽馬射線，而吸積盤主要在X射線和可見光。在利用費(fèi)米天文臺(tái)檢查了217個(gè)耀變星體后，科學(xué)家們繪制了射流的光度與吸積盤的光度的對(duì)比圖。數(shù)據(jù)清楚地顯示了一個(gè)直接關(guān)系，噴流的能量比吸積盤大。這可能是因?yàn)槲e盤中存在更多的物質(zhì)，會(huì)產(chǎn)生更大的磁場(chǎng)，從而增加噴流的能量。

從吸積盤到成為噴流的一部分需要多長時(shí)間？Poshak Gandhi 博士和使用 NuSTAR 和 ULTRACAM 的團(tuán)隊(duì)共同協(xié)作進(jìn)行的一項(xiàng)研究，研究了 V404 Cygni 和 GX 339-4，這兩個(gè)較小的雙星系統(tǒng)位于 7，800 光年之外，具有活動(dòng)性，可以提供良好的基線信息。V404 具有 6個(gè) 太陽質(zhì)量黑洞，而 GX 具有 12 個(gè)太陽質(zhì)量，由于能量輸出，吸積盤的特性很容易被識(shí)別。

一旦爆發(fā)發(fā)生，NuSTAR 尋找 X 射線，而ULTRACAM 探測(cè)可見光，然后比較整個(gè)事件中的信號(hào)。從吸積盤到噴流，信號(hào)之間的差值僅為0.1秒，相對(duì)論速度約為19，000英里的距離，恰好相是吸積盤的大小。進(jìn)一步的觀測(cè)顯示，V404的噴流實(shí)際上是旋轉(zhuǎn)的，與黑洞的吸積盤不一致。由于時(shí)空的幀拖曳，吸積盤的質(zhì)量可能拉動(dòng)噴流。

圖注：V404 Cygni 和 GX 339-4為雙星系統(tǒng)，用NuSTAR 尋找 X 射線，用ULTRACAM 探測(cè)可見光。

更酷的發(fā)現(xiàn)是，恒星大小的黑洞和SMBH似乎都有對(duì)稱的噴流。科學(xué)家們?cè)诶肧WIFT和費(fèi)米太空望遠(yuǎn)鏡檢查了天空中的一些伽馬射線源，發(fā)現(xiàn)有些來自SMBHs，而另一些來自恒星大小的黑洞后，意識(shí)到了這一點(diǎn)。總共檢查了234個(gè)活躍的星系核和74個(gè)伽馬射線爆發(fā)。根據(jù)射線離開的速度，它們來自極地噴流，其大小輸出大致相同。也就是說，如果你繪制黑洞的大小到噴流輸出，這是一個(gè)線性關(guān)系。

圖注：哈勃望遠(yuǎn)鏡

最終，使噴流發(fā)生的最佳方式之一是將兩個(gè)星系碰撞在一起。一項(xiàng)使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的研究檢查了合并過程中的星系，或者剛剛完成的，發(fā)現(xiàn)相對(duì)論的噴流以接近光速飛行并引起高射線波發(fā)射，這些合并都來自于這些合并。然而，并非所有的合并都會(huì)導(dǎo)致這些特殊的噴流和其他屬性，如自旋、質(zhì)量和方向。

同一黑洞的不同側(cè)面

從噴流生成的一般X射線量表示噴氣流的力量，從而表示其大小。但那是什么關(guān)系呢？科學(xué)家在2003年開始注意到兩個(gè)總的趨勢(shì)，但不知道如何調(diào)和它們。有些是窄噴流，有些是寬噴流。它們表示不同類型的黑洞嗎？理論需要修改嗎？事實(shí)證明，它可能是黑洞有行為變化，允許它們?cè)趦蓚€(gè)狀態(tài)之間進(jìn)入的一個(gè)簡(jiǎn)單的例子。

圖注：黑洞噴流組成

南安普敦大學(xué)的邁克爾·科里亞特和他的團(tuán)隊(duì)見證了一個(gè)黑洞經(jīng)歷著這樣的變化。來自SRON的彼得·喬克和伊娃·拉蒂使用錢德拉和擴(kuò)展的超大型陣列的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)更多的黑洞表現(xiàn)出類似的行為。現(xiàn)在，科學(xué)家們對(duì)窄噴流和寬噴流之間的關(guān)系有了更好的理解，從而使科學(xué)家能夠開發(fā)更詳細(xì)的模型。

噴流里有什么？

現(xiàn)在，噴流中的物質(zhì)將決定它們的力量。較重的物質(zhì)很難加速，許多噴流以接近光速離開星系。這并不是說重型物質(zhì)不能出現(xiàn)在噴流中，因?yàn)樗鼈冎荒芤驗(yàn)槟茉葱枨蠖暂^慢的速度移動(dòng)。在系統(tǒng)4U 1630-47中，情況似乎就是這樣，這個(gè)系統(tǒng)有一個(gè)恒星質(zhì)量黑洞和一顆伴星。

圖注：4U 1630-47是一個(gè)恒星質(zhì)量黑洞和一顆伴星系統(tǒng)。

瑪麗亞·迪亞斯·特里戈（Maria Diaz Trigo ）和她的團(tuán)隊(duì)研究了4U 1630-47系統(tǒng) ，在 2012 年XMM-牛頓天文臺(tái)記錄的X射線和來自它的無線電波，并將其與澳大利亞望遠(yuǎn)鏡緊湊型陣列（ATCA）的當(dāng)前觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較。他們發(fā)現(xiàn)了高速和高度電離鐵原子的特征，特別是Fe-24和Fe-25，盡管在噴流中也檢測(cè)到了鎳。科學(xué)家們注意到其光譜的變化，其速度接近光速的2/3，因此他們得出結(jié)論，在噴流中存在這種物質(zhì)。

圖注：XMM-牛頓天文臺(tái)的太空望遠(yuǎn)鏡

由于許多黑洞都位于這樣的系統(tǒng)中，因此這種情況可能很常見。值得注意的是，噴流中存在電子，因?yàn)樗鼈兊馁|(zhì)量比原子核小，因此攜帶的能量更少。

這似乎解決了許多關(guān)于噴流的謎團(tuán)。沒有人質(zhì)疑它們是由物質(zhì)構(gòu)成的，但究竟是輕（電子）還是重（重）是一個(gè)重要的區(qū)別。科學(xué)家可以從其他觀測(cè)結(jié)果中看出，這些噴流有負(fù)電荷的電子。但是根據(jù)所測(cè)的電磁的讀數(shù)，這些噴流還帶正電荷，所以必須包括某種形式的離子或正電子。

此外，以這樣的速度發(fā)射較重的物質(zhì)需要更多的能量，因此，通過了解這些成分，科學(xué)家可以更好地了解噴流所展示的能量。此外，這些噴流似乎來自黑洞周圍的吸積盤，而不是黑洞自旋的直接結(jié)果。最后，如果大多數(shù)噴流是較重的物質(zhì)，那么與它和外層氣體碰撞可能導(dǎo)致中微子形成，這解決了其他中微子的來源的部分謎團(tuán)。

噴流的影響

那么這些噴流對(duì)它們的環(huán)境有什么影響呢？很多。噴流會(huì)與周圍的惰性氣體碰撞并加熱，在提高氣體溫度的同時(shí)，向太空釋放巨大的氣泡。在某些情況下，噴流可以在被稱為Hanny’s Voorwerp的地方開始形成恒星。大多數(shù)時(shí)候，大量的氣體離開星系。

圖注：M106（也稱為NGC 4258）是一個(gè)位于獵犬座的螺旋星系，由于星系發(fā)射出X射線，意味著有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞位于星系的核心。

當(dāng)科學(xué)家用斯皮策望遠(yuǎn)鏡觀察M106時(shí)，他們得到了很好的證明。他們觀察到了加熱的氫，這是噴流活動(dòng)的結(jié)果。SMBH周圍的氣體中幾乎有2/3被從星系中噴出，因此它制造新恒星的能力正在減弱。除此之外，在接近可見波長時(shí)，也檢測(cè)到了螺旋臂，發(fā)現(xiàn)它們?cè)谧矒糨^冷的氣體時(shí)，是由噴流的沖擊波形成的。這些可能是星系變橢圓，變老，充滿紅星而沒有產(chǎn)生新的恒星的原因。

圖注：NGC 1433是一個(gè)擁有雙重環(huán)狀結(jié)構(gòu)的棒旋星系，位于時(shí)鐘座，距離地球約3000萬光年。

當(dāng) ALMA 查看 NGC 1433 和 PKS 1830-221 時(shí)，發(fā)現(xiàn)了有關(guān)此潛在結(jié)果的更多證據(jù)。在NGC 1433事件中，ALMA發(fā)現(xiàn)噴流攜帶著物質(zhì)從SMBH中心延伸超過150光年。解釋PKS1830-221的數(shù)據(jù)被證明是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)樗且粋€(gè)遙遠(yuǎn)的物體，并且被一個(gè)前景星系引力透鏡。但是，來自太空觀測(cè)站、FERMI和ALMA的查默斯科技大學(xué)的伊萬·馬蒂-維達(dá)爾和他的團(tuán)隊(duì)迎接了挑戰(zhàn)。他們共同發(fā)現(xiàn)，伽馬射線和亞毫米無線電頻譜的變化與落在噴流基部附近的物質(zhì)相對(duì)應(yīng)。這些如何影響他們周圍的環(huán)境仍然未知 。

圖注：ALMA望遠(yuǎn)鏡建在智利北方沙漠，2013年3月全部竣工并投入使用。

一個(gè)可能的結(jié)果是，噴流阻止橢圓星系中未來的恒星生長。它們中有很多足夠冷的氣體，應(yīng)該能夠恢復(fù)恒星的生長，但中央噴流實(shí)際上會(huì)把氣體的溫度升高到足以防止氣體凝結(jié)成原恒星。在查看赫歇爾空間天文臺(tái)觀測(cè)到的橢圓星系和非活躍的SMBHs的觀測(cè)結(jié)果后，科學(xué)家們得出這一結(jié)論。似乎由噴流形成的快速無線電波也創(chuàng)造了一種反饋脈沖，進(jìn)一步防止恒星的形成。根據(jù)ALMA對(duì)鳳凰星系團(tuán)的觀測(cè)，唯一形成恒星的地方是在氣泡的外圍。在那里，冷氣體正在凝結(jié)，隨著噴流將形成恒星的氣體推出，它可以為新恒星的形成創(chuàng)造一個(gè)合適的環(huán)境。

圖注：鳳凰星系團(tuán)

事實(shí)上，SMBH的噴流不僅能產(chǎn)生這些氣泡，還可能影響它們附近的恒星在中央凸起的旋轉(zhuǎn)。這是一個(gè)星系與其SMBH的近距離區(qū)域，科學(xué)家們多年來已經(jīng)知道，隆起越大，其中的恒星移動(dòng)得越快。戈達(dá)德航天飛行中心的弗朗塞斯科·湯梅西領(lǐng)導(dǎo)的研究人員，在用XMM-牛頓天文臺(tái)的太空望遠(yuǎn)鏡觀察了42個(gè)星系后，找出了罪魁禍?zhǔn)住Ｊ堑模悴聦?duì)了：噴流。當(dāng)他們從膨脹的氣體中發(fā)現(xiàn)那些鐵同位素時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)，這表明了這種聯(lián)系。當(dāng)噴流撞擊附近的氣體時(shí)，能量和物質(zhì)導(dǎo)致流出，通過能量的傳遞影響恒星運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致速度加快。

圖注：WISE1029，一個(gè)塵埃遮蔽的星系

但是等一下！這種噴流通過啟動(dòng)或發(fā)育遲緩影響編隊(duì)的畫面并不像我們想象的那么清晰。ALMA對(duì)WISE1029（一個(gè)塵埃遮蔽的星系）的觀測(cè)證據(jù)顯示，其SMBH的射流是由電離氣體構(gòu)成，電離氣體應(yīng)該影響它周圍的一氧化碳，從而產(chǎn)生恒星的生長，但它并沒有。這會(huì)改變我們對(duì)噴流的理解嗎？也許，也許不是。它是一個(gè)奇異的離群值，目前還沒有發(fā)現(xiàn)其他跟它類似的星系。

圖注：NGC1377星系

想了解更多？科學(xué)家在NGC1377星系發(fā)現(xiàn)一股噴流，發(fā)現(xiàn)一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞。該黑洞的有500光年長度，有60光年寬，并以每小時(shí)50萬英里的速度飛行。乍一看這里沒什么大不了的，但當(dāng)進(jìn)一步檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)噴流是涼爽、稠密的，并且以螺旋狀、噴霧的方式退出。科學(xué)家假設(shè)氣體可能以不穩(wěn)定的速度流入，或者另一個(gè)黑洞拉扯并造成奇怪的模式。

多少能量？

當(dāng)然，任何關(guān)于黑洞的討論都不完整，除非找到與期望相反的東西。 MQ1是在南風(fēng)車星系 （M 83） 中發(fā)現(xiàn)的恒星質(zhì)量黑洞。這個(gè)黑洞似乎有一條繞過愛丁頓極限的捷徑，或黑洞在切斷太多自身燃料之前可以輸出的能量。它基于大量的輻射，使黑洞影響有多少物質(zhì)可以落入它，從而減少輻射后，一定量的能量離開黑洞。這個(gè)極限是基于黑洞質(zhì)量的計(jì)算，但基于有多少能量被看到離開這個(gè)黑洞將需要一些修正。

圖注：南風(fēng)車星系 （M 83） 中發(fā)現(xiàn)的恒星質(zhì)量黑洞

這項(xiàng)研究由國際射電天文學(xué)研究中心的羅伯托·索里亞夫領(lǐng)導(dǎo)，基于錢德拉的數(shù)據(jù)，幫助發(fā)現(xiàn)了黑洞的質(zhì)量。受噴流沖擊物質(zhì)沖擊波產(chǎn)生的無線電輻射有助于計(jì)算噴流的凈動(dòng)能，由哈勃望遠(yuǎn)鏡和澳大利亞望遠(yuǎn)鏡緊湊型陣列記錄。無線電波越亮，噴流與周圍物質(zhì)的撞擊能量就越高。他們發(fā)現(xiàn)，被送入太空的能量是正常情況下的2-5倍，黑洞是如何作弊的還不清楚。

另一個(gè)考慮因素是物質(zhì)離開黑洞。這些物質(zhì)是以相同的速率離開，還是波動(dòng)？更快的部分是否碰撞或超于較慢的部分？這就是黑洞噴流的內(nèi)部沖擊模型所預(yù)測(cè)的，但證據(jù)卻很難找到。科學(xué)家需要發(fā)現(xiàn)噴流本身的一些波動(dòng)，并跟蹤亮度的變化。

圖注：活躍的3C264（NGC 3862）星系

星系3C264（NGC 3862）提供了這樣的機(jī)會(huì)，在20年的時(shí)間里，科學(xué)家跟蹤到了以接近98%的光速的物質(zhì)離開。在快速移動(dòng)的物質(zhì)團(tuán)趕上減速的團(tuán)塊后，它們相碰撞，并導(dǎo)致亮度增加 40%。科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)類似沖擊波的特征，并確實(shí)驗(yàn)證了模型，可以部分解釋直到現(xiàn)在為止看到的不穩(wěn)定的能量讀數(shù)。

噴流在周圍彈跳

Cygnus A給天體物理學(xué)家?guī)砹艘粋€(gè)驚喜：在這個(gè)位于6億光年外的橢圓星系內(nèi)，有一個(gè)SMBH，它的噴流在它里面彈跳！根據(jù)錢德拉的觀測(cè)，星系邊緣的熱點(diǎn)是噴流撞擊高電荷物質(zhì)的結(jié)果。不知何故，SMBH在它周圍創(chuàng)造了一個(gè)空隙，長達(dá)10萬光年，寬26，000光年，帶電物質(zhì)在它之外作為葉，形成了一個(gè)密集的區(qū)域。這可以將擊中它的噴流重定向到輔助位置，沿邊緣創(chuàng)建多個(gè)熱點(diǎn)。

圖注：噴流在Cygnus A星系中彈跳。不同的方法？

應(yīng)該指出的是，ALMA最近對(duì)1400萬光年外的Circhinus星系的觀測(cè)，該噴流模型與傳統(tǒng)的模型不同。黑洞周圍的冷氣似乎在接近事件視界時(shí)被加熱，但在某一點(diǎn)獲得足夠的熱量后，使其電離并以噴流的形式逸出后，物質(zhì)會(huì)冷卻并回落到吸積盤中，在垂直于旋轉(zhuǎn)盤的循環(huán)中重復(fù)該過程。這是一個(gè)罕見的或常見的事件還有待觀察。

圖注：Circhinus星系