出品：科普中国
作者：苟利军（中国科学院国家天文台）
监制：中国科普博览
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2024年9月18日，著名科学期刊《自然》（Nature）发表了一篇重磅论文，欧洲和美国的天文学家们通过最新的射电观测手段，发现了一个长达2300万光年的超长黑洞喷流，并将其命名为“波耳费里翁”（Porphyrion），这个词所指的是古希腊神话中的一位巨人。
LOFAR射电望远镜阵列拍摄的“波耳费里翁”
（图片来源：LOFAR合作组织Martijn Oei）
这一发现不仅刷新了我们对黑洞喷流长度的认知，也为理解黑洞在宇宙大尺度结构中的作用提供了全新视角。作为迄今为止观测到的最长黑洞喷流，“波耳费里翁”喷流犹如一把穿透宇宙的“利剑”，揭示了黑洞喷流能够在极端环境中保持稳定、笔直传播的性质。
阅读贴士：
就此次重磅发现，我们策划了“迄今最长黑洞喷流”系列，分3篇文章，分别从黑洞喷流的发现、黑洞喷流的形成与黑洞喷流的研究价值三个角度，为你解读此次科学成果，带你了解关于黑洞喷流的故事。
黑洞喷流是如何形成的？
提到黑洞，许多人首先想到的是它们巨大的引力：一旦任何物质越过视界，连光都无法逃脱。然而，在黑洞周围，常常存在着另一种截然不同的现象：喷流。
简单来说，黑洞喷流是黑洞周围吸积盘中的物质沿着黑洞自转轴方向高速喷射出的物质流。那么，这个过程是如何发生的呢？
黑洞并非直接喷射物质，而是通过它们周围的吸积盘将物质抛出。吸积盘由围绕黑洞高速旋转的气体和尘埃组成。物质在旋转过程中，由于强烈的摩擦和碰撞，物质被加热至数百万甚至上亿度，变得极其炽热。当物质被黑洞的引力拉向事件视界时，强大的磁场将部分高能物质沿磁力线束缚，并以接近光速的速度从黑洞两极喷射出去，形成壮观的喷流。这一过程像一把巨大的“太空喷水枪”，不断地将超高能量的物质“射向”宇宙深处。
喷流的形成还与磁场和黑洞的自转密切相关。强磁场会将吸积盘内的物质像发条一样缠绕，当磁场足够强大时，物质就会沿着磁力线被抛出。
是什么决定了黑洞喷流的长度？
“波耳费里翁”喷流之所以引人瞩目，除了因为它的长度创下了纪录外，还因为它展示了黑洞喷流在宇宙中能够影响的范围之广。2300万光年的长度，相当于114个银河系的长度总和(假设银河系的直径为20万光年)，远远超出了此前我们对黑洞喷流的理解。
是什么决定了黑洞喷流的长度？为什么“波耳费里翁”喷流能够达到如此壮观的规模？
一般来说，黑洞喷流的长度取决于多个因素，包括：黑洞的能量供给、吸积盘的结构、喷流传播途中的星系际介质密度等。当黑洞的吸积盘释放出足够的能量时，喷流可以持续存在数百万甚至数亿年。
然而，在大多数情况下，喷流的传播会受到星系际介质（Inter-Galactic Medium, IGM）的阻力、磁场干扰和周围环境的影响，从而逐渐弯曲、分散，甚至完全消失。因此，此前观测到的最长喷流不过1630万光年（500万秒差距），差不多只有这次喷流长度的到三分之二。
此次的黑洞喷流为何如此笔直？
此前天文学家们观测到的黑洞喷流长度大多不超过上千万光年，因为在宇宙尺度上，喷流很容易受到各种干扰而发生弯曲或弥散掉。然而，“波耳费里翁”喷流不仅打破了长度纪录，还保持了惊人的笔直性。
这让我们不禁好奇：为什么这次观测到的喷流能够在2300万光年的距离内依然保持笔直？
这与喷流的磁场结构和黑洞的自旋轴稳定性密切相关。黑洞喷流内的强磁场不仅能够提供巨大的能量，还能维持喷流的稳定性，减少与星系际介质的相互作用。同时，喷流的极高速度（接近光速）也让它能够迅速穿越外界环境，保持稳定。此次发现的“波耳费里翁”喷流展示了黑洞喷流在特殊条件下的自稳能力，表明它们可以在宇宙尺度上长时间地保持完整。
此外，黑洞自旋轴的长期稳定性也至关重要。黑洞自转轴的稳定性则决定了喷流的方向和形态。如果黑洞的自转轴保持稳定，那么喷流就会沿着特定方向持续喷射，形成笔直的流体结构。如果黑洞在长达数十亿年的时间里自旋轴方向保持不变，喷流就不会发生显著偏移。这也解释了为什么“波耳费里翁”喷流在存在了大约20亿年后仍能保持笔直形态。
发现如此又长又直的黑洞喷流，意味着什么？
“波耳费里翁”喷流的发现，不仅刷新了我们对黑洞喷流寿命的理解，还揭示了超大质量黑洞在宇宙演化中可能扮演的更加重要的角色。
此外，“波耳费里翁”还表明，在特定条件下，黑洞喷流可以突破这些限制，延伸到更大的尺度。它的发现意味着中心黑洞具有极高的能量供给能力，同时该喷流可能穿越了一个相对稀薄的星系际介质环境，从而减少了外界干扰对喷流的影响。
这一发现为我们提供了一个全新的视角，让我们看到了黑洞不仅在星系内部具有强大的影响力，它们的活动甚至可以跨越数千万光年的距离，改变整个宇宙网的物质和磁场分布。