APP 出品：科普中國
作者：茍利軍（中國科學(xué)院國家天文臺(tái)）
監(jiān)制：中國科普博覽
編者按：為了解前沿科技動(dòng)態(tài)，科普中國前沿科技項(xiàng)目推出“帶你讀懂科學(xué)頂刊”系列文章，精選權(quán)威期刊的優(yōu)秀論文，第一時(shí)間用通俗語言進(jìn)行解讀。讓我們透過頂刊之窗，拓寬科學(xué)視野，享受科學(xué)樂趣。
2024年9月18日，著名科學(xué)期刊《自然》（Nature）發(fā)表了一篇重磅論文，歐洲和美國的天文學(xué)家們通過最新的射電觀測(cè)手段，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)長(zhǎng)達(dá)2300萬光年的超長(zhǎng)黑洞噴流，并將其命名為“波耳費(fèi)里翁”（Porphyrion），這個(gè)詞所指的是古希臘神話中的一位巨人。
LOFAR射電望遠(yuǎn)鏡陣列拍攝的“波耳費(fèi)里翁”
（圖片來源：LOFAR合作組織Martijn Oei）
這一發(fā)現(xiàn)不僅刷新了我們對(duì)黑洞噴流長(zhǎng)度的認(rèn)知，也為理解黑洞在宇宙大尺度結(jié)構(gòu)中的作用提供了全新視角。作為迄今為止觀測(cè)到的最長(zhǎng)黑洞噴流，“波耳費(fèi)里翁”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(huán)境中保持穩(wěn)定、筆直傳播的性質(zhì)。
閱讀貼士：
就此次重磅發(fā)現(xiàn)，我們策劃了“迄今最長(zhǎng)黑洞噴流”系列，分3篇文章，分別從黑洞噴流的發(fā)現(xiàn)、黑洞噴流的形成與黑洞噴流的研究?jī)r(jià)值三個(gè)角度，為你解讀此次科學(xué)成果，帶你了解關(guān)于黑洞噴流的故事。
科學(xué)家們?yōu)槭裁匆芯亢诙磭娏鳎?/strong>
黑洞噴流作為宇宙中最壯觀的現(xiàn)象之一，研究它們不僅可以加深我們對(duì)黑洞及其周圍環(huán)境的理解，還可以揭示黑洞與星系之間復(fù)雜的相互作用。研究黑洞噴流具有幾個(gè)科學(xué)意義：
1.揭示黑洞吸積和物質(zhì)轉(zhuǎn)移機(jī)制：黑洞噴流的形成與黑洞的吸積過程密切相關(guān)。通過研究噴流的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和成分，科學(xué)家可以深入了解黑洞如何吸積物質(zhì)、如何將部分物質(zhì)重新拋入宇宙空間。
2.探索黑洞對(duì)星系和星系團(tuán)的影響：黑洞噴流會(huì)將巨大的能量和物質(zhì)注入星系際空間，影響周圍星系際介質(zhì)的溫度、密度和磁場(chǎng)分布。這種“反饋機(jī)制”在星系演化中扮演著至關(guān)重要的角色，甚至可能影響星系內(nèi)恒星的形成和星系的演化。
3.揭示宇宙網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和演化：像“波耳費(fèi)里翁”噴流這樣的超長(zhǎng)噴流可以穿越宇宙網(wǎng)的各個(gè)部分，影響宇宙網(wǎng)的磁場(chǎng)分布和物質(zhì)流動(dòng)。研究這些噴流可以幫助我們理解宇宙網(wǎng)的形態(tài)、演化以及黑洞在宇宙大尺度結(jié)構(gòu)中的作用。
4.推動(dòng)射電天文學(xué)的發(fā)展：觀測(cè)到如此長(zhǎng)的黑洞噴流，離不開先進(jìn)的射電望遠(yuǎn)鏡技術(shù)。未來更高靈敏度、更高分辨率的望遠(yuǎn)鏡將使我們能夠探測(cè)到更多類似的超長(zhǎng)噴流，揭示它們與宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的關(guān)系。
“波耳費(fèi)里翁”噴流的發(fā)現(xiàn)為我們提供了一個(gè)獨(dú)特的窗口，讓我們看到了黑洞噴流在宇宙大尺度上的強(qiáng)大影響力。它不僅讓我們重新審視黑洞與星系之間的關(guān)系，還提示我們黑洞可能在更廣泛的宇宙結(jié)構(gòu)中發(fā)揮作用。
中國天文學(xué)家們也正在研究黑洞噴流
在全球范圍內(nèi)，黑洞噴流的研究一直是天文學(xué)的前沿課題，而中國天文學(xué)家在這一領(lǐng)域的研究也逐漸嶄露頭角。
近年來，中國天文學(xué)界在黑洞噴流和射電天文領(lǐng)域取得了令人矚目的成就。位于中國貴州的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST），作為世界上最大、靈敏度最高的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，已經(jīng)在探測(cè)黑洞噴流、脈沖星和快速射電暴等天文現(xiàn)象方面取得了重大進(jìn)展。
FAST的高靈敏度使得中國科學(xué)家能夠深入研究黑洞噴流的形成、演化及其與周圍環(huán)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(shí)，中國的X射線天文研究也取得了重要突破。2017年發(fā)射的“慧眼”硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（Hard X-ray Modulation Telescope, HXMT）是中國首顆自主研發(fā)的大型X射線天文衛(wèi)星。
通過“慧眼”，科學(xué)家們可以精確地觀測(cè)黑洞及其噴流的X射線輻射，深入了解黑洞周圍的極端物理環(huán)境，如噴流的粒子加速機(jī)制、輻射過程以及吸積盤的演化特性。這些數(shù)據(jù)不僅有助于理解黑洞噴流的內(nèi)在機(jī)制，也為全球黑洞研究提供了寶貴的觀測(cè)資料。
此外，中國還積極參與了國際天文項(xiàng)目的合作。比如中歐合作的增強(qiáng)型X射線時(shí)變與偏振探測(cè)衛(wèi)星（enhanced X-ray Timing and Polarimetry mission, eXTP）項(xiàng)目，計(jì)劃在未來幾年后發(fā)射。該項(xiàng)目將進(jìn)一步提升我們對(duì)黑洞、脈沖星等致密天體物理過程的理解，特別是黑洞噴流的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)和極端環(huán)境下的物質(zhì)狀態(tài)。
同時(shí)，中國還參與了平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡（Square Kilometer Array, SKA）的建設(shè)，這將進(jìn)一步提升對(duì)宇宙中黑洞噴流現(xiàn)象的觀測(cè)精度。
這些努力不僅提升了中國在黑洞噴流研究中的地位，也展示了中國天文學(xué)家在多波段天文觀測(cè)和國際合作中的實(shí)力。未來，隨著更多高靈敏度天文設(shè)備的投入使用，中國將在黑洞噴流、射電天文學(xué)和X射線天文學(xué)領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)揮重要作用，為人類理解宇宙的奧秘作出更多貢獻(xiàn)。
僅僅揭開冰山一角，未來還有更多驚喜值得探索
“波耳費(fèi)里翁”噴流的發(fā)現(xiàn)刷新了我們對(duì)黑洞噴流的理解，但它只是揭開了冰山一角。
未來，隨著更多高靈敏度望遠(yuǎn)鏡的投入使用，如平方公里陣列望遠(yuǎn)鏡SKA和中國的增強(qiáng)型X射線時(shí)變與偏振探測(cè)衛(wèi)星eXTP，我們將能夠探測(cè)到更多隱藏在宇宙中的長(zhǎng)噴流，揭示它們與宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的關(guān)系。此外，黑洞噴流的成分和能量傳輸機(jī)制也將成為未來研究的熱點(diǎn)。
關(guān)于黑洞的研究遠(yuǎn)未結(jié)束。我們還需要弄清楚黑洞的形成與演化過程、噴流的啟動(dòng)機(jī)制、黑洞如何與星系共生演化，以及它們?cè)谡麄€(gè)宇宙演化中扮演的角色。
可以預(yù)見，未來，在全世界天文學(xué)界的共同努力下，我們將迎來更多關(guān)于黑洞的驚喜發(fā)現(xiàn)，讓我們更能理解這個(gè)神秘宇宙的真相。
