如何從超大質量黑洞噴流中發現奇怪物理現象？

超年夜質量黑洞暗藏在年夜大都星系的中間，常被描述為“野獸”或“怪物”。但盡管如斯，它們仍是“”無形”的。為了證實它們是存在的，天文學家凡是必需測量環抱這些區域的氣體云的速度。可是這些物體有時會經由過程壯大的噴射物的發生而感觸感染到它們的存在，它們攜帶的能量如斯之年夜，以至于它們可以或許比宿本家兒星系的恒星發出的所有光都相形見絀。我們知道這些“相對論噴射”是兩束等離子體(物質由帶電粒子構成，盡管沒有總電荷)，以很是接近光速的速度標的目的相反的偏向移動。

半人馬座A的噴流，圖片版權：ESO/WFI (Optical); MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al. (Submillimetre); NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al. (X-ray, CC BY-SA

然而這些宇宙“噴泉”的物理學一向是個謎。此刻新論文頒發在《天然天文學》雜志上，揭示了它們非同平常的外不雅的原因。使相對論噴流不同凡響的是它們令人印象深刻的不變性：從一個龐大的黑洞(沒有返回的處所)呈現，并傳布到足夠遠的處所，從它們的宿本家兒星系平分離出來，同時連結它們的外形很長一段時候。這對應的長度是其初始半徑的10億倍——從這個角度來看，想象一個水噴泉從一個1厘米寬的軟管流出，并連結1萬公里的不間斷。一旦噴流在距離它們的發源很遠的處所傳布，它們就掉去了連貫性，并成長出凡是近似于羽狀或裂片的擴展布局。這表白噴流履歷了某種水平的不不變性，足以完全改變它們的外不雅。

第一個天體物理學噴流發現于1918年由美國天文學家希柯蒂斯，他注重到“持續好奇雷…顯然與物質的原子核由細線”在巨型橢圓星系M87。上宿世紀70年月，劍橋年夜學(University of Cambridge)伯尼·法納洛夫(Bernie Fanaroff)和朱莉婭·賴利(Julia Riley)的兩位天文學家研究了一組年夜型黑洞噴流。他們發現可以分為兩類：一類是含有射流的噴流，亮度跟著距離的增添而降低，而那些在邊緣處變得更亮的射流。總的來說后者的亮度年夜約是前者的100倍。它們在結尾的外形都稍有分歧——第一個就像一個燃燒的羽流，第二個就像一個細細的湍流。為什么有兩種分歧類型的噴氣機仍然是一個活躍的研究范疇。

當射流物質被黑洞加快時，它的速度達到光速的99.9%。當一個物體移動得如斯之快時，時候就會膨脹——換句話說，由一個外部不雅察者測量的射流的時候流就會像愛因斯坦的狹義相對論所展望的那樣慢下來。正因為如斯，噴流的分歧部門之間的彼此交流需要更長的時候，好比在彼此影響或彼此影響的過程中。這有用地庇護了噴流不受干擾。然而，這種溝通的缺掉不會永遠持續下去。當射流從黑洞噴射出來時，它會標的目的側面膨脹。這種膨脹使射流內部的壓力減小，而四周氣體的壓力也沒有減小。

星系焦點是一個超年夜質量黑洞的概念圖，圖片版權：NASA

最終外部的氣體壓力跨越了射流內部的壓力，經由過程擠壓負氣流縮短。若是噴流的某些部門在此時代變得不不變，可以互換這個信息，不不變會擴散到影響整個光束。飛機的擴張和縮短過程還有另一個主要的后果：氣流不再沿著直線，而是沿著彎曲的路徑。彎曲的氣流很可能會受到“離心不不變性”的影響，這意味著它們起頭形當作漩渦狀布局，稱為旋渦。直到比來這才被認為是對天體物理噴射的關頭。事實上，具體的計較機模擬顯示，相對論性射流因為離心不不變而變得不不變，這最初只影響到它們與銀河氣體的界面。

一旦它們因為外部壓力而縮短，這種不不變就會擴散到整個星系。這種不不變性是如斯的災難性，以至于噴流無法在這一點上存活下來，并給了一個獰惡的羽流。從這個角度來看，能更好地領會天體物理噴射的不變性。它還可以幫忙詮釋Fanaroff和Riley發現的兩類謎一樣的飛機——這完全取決于它離星系的距離有多遠。用計較機模擬了這些噴射流的樣子，這是基于我們對這些宇宙射線的物理學的新理解，它們很是像在天文不雅測中看到的兩個類。在星系中間棲身的龐大的野活潑物還有良多需要領會的處所。但垂垂地揭開了他們的神秘面紗，顯示出他們確實是完全守法和可展望的。

常識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：Nature Astronomy

內容：經“博科園”鑒定合適今本家兒流科學

來自：The Conversation

編譯：中子星

審校：博科園

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