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（大約700萬秒差距）的超長黑洞噴流，並將其命名爲“波耳費裏翁”（Porphyrion），這個詞所指的是古希臘神話中的一位巨人。

藝術家筆下描繪的“波耳費裏翁” （圖片來源：E.Wernquist/D.Nelson/M.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，“波耳費裏翁”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。

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：一旦任何物質越過視界，連光都無法逃脫。然而，在黑洞周圍，常常存在着另一種截然不同的現象：噴流。

簡單來說，黑洞噴流是黑洞周圍吸積盤中的物質沿着黑洞自轉軸方向高速噴射出的物質流。那麼，這個過程是如何發生的呢？

黑洞吸積盤和噴流的藝術效果圖（圖片來源：NASA）

黑洞並非直接噴射物質，而是通過它們周圍的吸積盤將物質拋出。吸積盤由圍繞黑洞高速旋轉的氣體和塵埃組成。物質在旋轉過程中，由於強烈的摩擦和碰撞，物質被加熱至數百萬甚至上億度，變得極其熾熱。當物質被黑洞的引力拉向事件視界時，強大的磁場將部分高能物質沿磁力線束縛，並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“射向”宇宙深處。

噴流的形成還與磁場和黑洞的自轉密切相關。強磁場會將吸積盤內的物質像發條一樣纏繞，當磁場足夠強大時，物質就會沿着磁力線被拋出。

是什麼決定了黑洞噴流的長度？

作爲迄今爲止發現最長的黑洞噴流，“波耳費裏翁”噴流長度達到2300萬光年，相當於114個銀河系的長度總和（假設銀河系的直徑爲20萬光年），遠遠超出了此前我們對黑洞噴流的理解。

是什麼決定了黑洞噴流的長度？爲什麼“波耳費裏翁”噴流能夠達到如此壯觀的規模？

一般來說，黑洞噴流的長度取決於多個因素，包括：黑洞的能量供給、吸積盤的結構、噴流傳播途中的星系際介質密度等。當黑洞的吸積盤釋放出足夠的能量時，噴流可以持續存在數百萬甚至數億年。

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

此次的黑洞噴流爲何如此筆直？

在宇宙尺度上，噴流很容易受到各種干擾而發生彎曲或彌散掉。然而，“波耳費裏翁”噴流不僅打破了長度紀錄，還保持了驚人的筆直性。

“波耳費裏翁”噴流的動畫模擬（圖片來源：Caltech）

爲什麼這次觀測到的噴流能夠在2300萬光年的距離內依然保持筆直？這與噴流的磁場結構和黑洞的自旋軸穩定性密切相關。黑洞噴流內的強磁場不僅能夠提供巨大的能量，還能維持噴流的穩定性，減少與星系際介質的相互作用。

同時，噴流的極高速度（接近光速）也讓它能夠迅速穿越外界環境，保持穩定。“波耳費裏翁”噴流展示了黑洞噴流在特殊條件下的自穩能力，表明它們可以在宇宙尺度上長時間地保持完整。

此外，黑洞自旋軸的長期穩定性也至關重要。黑洞自轉軸的穩定性則決定了噴流的方向和形態。如果黑洞的自轉軸保持穩定，那麼噴流就會沿着特定方向持續噴射，形成筆直的流體結構。如果黑洞在長達數十億年的時間裏自旋軸方向保持不變，噴流就不會發生顯著偏移。這也解釋了爲什麼“波耳費裏翁”噴流在存在了大約20億年後仍能保持筆直形態。

這個超長的黑洞噴流，是如何被發現的？

“波耳費裏翁”噴流的發現，是天文學家們藉助先進射電望遠鏡和全球科研協作的結果。這一壯觀的宇宙景象，得益於多項頂尖觀測設備的聯合探索，其中最爲關鍵的是分佈在歐洲的低頻陣列射電望遠鏡——LOFAR（Low-Frequency Array）。

LOFAR專注於觀測30 MHz至240 MHz頻段的射電波，能夠捕捉到宇宙深處極其微弱的信號，尤其擅長揭示星系間那龐大而神祕的結構。正是LOFAR的高靈敏度，使我們得以窺見這延展至2300萬光年的噴流系統，揭示了這個龐然大物的輪廓。

LOFAR射電望遠鏡陣列拍攝的“波耳費裏翁” （圖片來源：LOFAR合作組織Martijn Oei）

爲了進一步驗證LOFAR的初步發現，科學家們轉向印度的巨型米波射電望遠鏡（Giant Meterwave Radio Telescope，GMRT），這是世界上最大的射電望遠鏡之一，擅長捕捉中低頻射電波。通過GMRT的高分辨率射電圖像，研究團隊得以細緻描繪出噴流的結構與規模，展現了它如同宇宙長矛般穿越時空的壯麗畫卷。

然而，噴流的故事並不止於此。科學家們使用凱克天文臺（W. M. Keck Observatory，WMKO）和暗能量光譜儀（Dark Energy Spectroscopic Instrument，DESI），通過光學和光譜觀測，精準地測定了噴流宿主星系的距離和質量。原來，這一噴流源自距地球約75億光年外的一個巨型星系，其質量是銀河系的十倍。

爲了探尋更多類似的宇宙發現，研究團隊不僅依賴於設備力量，還藉助了機器學習算法與全球公民科學家的幫助。通過掃描海量射電圖像，機器學習精準識別出那些宇宙深處的微弱噴流，而公民科學家的參與則進一步確認了這些結構的真實性。這種科技與人類智慧的協作，最終使得“波耳費裏翁”噴流得以展現。

發現如此又長又直的黑洞噴流，意味着什麼？

“波耳費裏翁”噴流的發現，不僅刷新了我們對黑洞噴流壽命的理解，還揭示了超大質量黑洞在宇宙演化中可能扮演的更加重要的角色。

此外，“波耳費裏翁”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。它的發現意味着中心黑洞具有極高的能量供給能力，同時該噴流可能穿越了一個相對稀薄的星系際介質環境，從而減少了外界干擾對噴流的影響。

這一發現爲我們提供了一個全新的視角，讓我們看到了黑洞不僅在星系內部具有強大的影響力，它們的活動甚至可以跨越數千萬光年的距離，改變整個宇宙網（Cosmic Web）的物質和磁場分佈。

宇宙網的模擬圖（圖片來源：Illustris Collaboration）

此次觀測，與當年拍攝黑洞照片有何不同？

與2019年首次拍攝到的黑洞照片（即M87星系中心的超大質量黑洞陰影）相比，“波耳費裏翁”噴流雖然也是關於黑洞的重要天文觀測，但兩者在觀測目的和科學意義上有顯著的區別和聯繫：

1. 觀測目標的明顯差別

首先，兩次觀測目標都有比較明顯的差別。事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope，EHT）團隊拍攝到的黑洞照片展示了位於M87星系中心的超大質量黑洞的“陰影”和其周圍的吸積盤。這些圖像首次直觀地展示了黑洞的事件視界，以及強大引力場對周圍光線的彎曲效應，證實了愛因斯坦廣義相對論的預言。

2019年拍攝到的黑洞照片（圖片來源：事件視界望遠鏡團隊）

“波耳費裏翁”黑洞噴流觀測的目標是研究黑洞噴流的形成、演化及其對星系際介質的影響。這個噴流系統展示了黑洞在極大尺度上釋放能量的能力，其規模達到了2300萬光年，遠遠超出了單個星系的範圍，甚至影響到整個宇宙網的結構（達到了66%宇宙網半徑）。這一發現爲我們理解黑洞在宇宙大尺度結構中的作用提供了新的視角。

2. 觀測設備的不同

其次，拍攝黑洞照片使用的是事件視界望遠鏡，它結合了全球多個射電望遠鏡組成的虛擬口徑，相當於地球大小的望遠鏡陣列。EHT主要觀測毫米波段的射電波長，能夠分辨出黑洞周圍的超高能量物質釋放區域及事件視界的輪廓。

而“波耳費裏翁”噴流的發現，是通過低頻射電望遠鏡陣列以及印度的大型米波射電望遠鏡等設備觀測的。與EHT聚焦於黑洞附近的極小尺度不同，這些射電望遠鏡能夠捕捉到黑洞噴流在幾千萬光年尺度上的輻射情況，揭示了噴流在星系際介質中的傳播特性。

3. 分別展示了黑洞“靜態”與“動態”

最後，黑洞照片展示了黑洞的“靜態”性質，即其事件視界附近的結構。而“波耳費裏翁”噴流揭示了黑洞的“動態”行爲，即黑洞如何在極大尺度上影響其周圍環境。

同時，這兩項觀測共同表明了黑洞不僅在小尺度上具有強大的引力作用，而且在大尺度上通過噴流等機制對星系及宇宙網產生影響。黑洞照片驗證了愛因斯坦的廣義相對論，而“波耳費裏翁”噴流的觀測則爲研究黑洞與星系之間的反饋機制、黑洞如何通過噴流影響宇宙網的結構提供了新的證據。這兩者相結合，有助於構建一個更爲完整的黑洞物理學理論。

未來的研究可能會嘗試將這兩種不同尺度的觀測結合起來，進一步揭示黑洞從小尺度（事件視界）到大尺度（噴流影響）的物理機制。這將需要更高分辨率的望遠鏡（如改進版的EHT）和更廣泛的射電觀測網絡（如平方公里陣列望遠鏡SKA），以同時研究黑洞的微觀和宏觀現象。

相關研究可以參考2023年上海天文臺領導的M87黑洞的全景照片項目，不僅是得到了黑洞的照片，還得到了黑洞噴流的照片。不過相比較而言，黑洞的全景照片還是在黑洞周圍比較小的範圍之內。

2023年上海天文臺領導拍攝到的M87黑洞全景照片（圖片來源：中國科學院上海天文臺）

總而言之，黑洞照片和“波耳費裏翁”噴流分別展示了黑洞在不同尺度上的神祕面貌，它們之間的研究相輔相成，共同推動我們對宇宙中最極端天體的理解。

科學家們爲什麼要研究黑洞噴流？

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“波耳費裏翁”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。

“波耳費裏翁”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。

研究黑洞噴流的中國天文學家

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。

2023年“中國天眼”全景（圖片來源：新華社）

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。