它們是如何形成的？

黑洞絕對是宇宙中最復雜的結構之一。它們把物理學的界限推到它們的臨界點，并繼續用新的奧秘來吸引我們。其中一個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，以及它們對宇宙的影響。

圖注：黑洞噴流

基礎知識

我們看到的大多數射流來自位于星系中心的超大質量黑洞（SMBH），雖然恒星質量黑洞也有噴流，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，其速度接近光速。大多數理論預測，這些噴流產生于圍繞SMBH的吸積盤中的旋轉物質，而不是來自實際的黑洞。當物質與SMBH周圍旋轉物質產生的磁場相互作用時，它沿著磁場線向上或向下，進一步變窄和加熱，直到獲得足夠的能量使其向外逃逸。在噴流中逸出的物質也會釋放X射線，因為這些逃逸物質已經被電離。

圖注：位于星系中心的超大質量黑洞（SMBH）發出的噴流。

最近的一項研究似乎證實了噴流和吸積盤之間的聯系。科學家們觀察了那些碰巧有噴流直接指向地球的主動星系核，檢查了噴流中的光，并將其與吸積盤的光進行了比較。雖然許多人認為區分兩者很難，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。在利用費米天文臺檢查了217個耀變星體后，科學家們繪制了射流的光度與吸積盤的光度的對比圖。數據清楚地顯示了一個直接關系，噴流的能量比吸積盤大。這可能是因為吸積盤中存在更多的物質，會產生更大的磁場，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間？Poshak Gandhi 博士和使用 NuSTAR 和 ULTRACAM 的團隊共同協作進行的一項研究，研究了 V404 Cygni 和 GX 339-4，這兩個較小的雙星系統位于 7，800 光年之外，具有活動性，可以提供良好的基線信息。V404 具有 6個 太陽質量黑洞，而 GX 具有 12 個太陽質量，由于能量輸出，吸積盤的特性很容易被識別。

一旦爆發發生，NuSTAR 尋找 X 射線，而ULTRACAM 探測可見光，然后比較整個事件中的信號。從吸積盤到噴流，信號之間的差值僅為0.1秒，相對論速度約為19，000英里的距離，恰好相是吸積盤的大小。進一步的觀測顯示，V404的噴流實際上是旋轉的，與黑洞的吸積盤不一致。由于時空的幀拖曳，吸積盤的質量可能拉動噴流。

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

更酷的發現是，恒星大小的黑洞和SMBH似乎都有對稱的噴流。科學家們在利用SWIFT和費米太空望遠鏡檢查了天空中的一些伽馬射線源，發現有些來自SMBHs，而另一些來自恒星大小的黑洞后，意識到了這一點。總共檢查了234個活躍的星系核和74個伽馬射線爆發。根據射線離開的速度，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，這是一個線性關系。

圖注：哈勃望遠鏡

最終，使噴流發生的最佳方式之一是將兩個星系碰撞在一起。一項使用哈勃太空望遠鏡的研究檢查了合并過程中的星系，或者剛剛完成的，發現相對論的噴流以接近光速飛行并引起高射線波發射，這些合并都來自于這些合并。然而，并非所有的合并都會導致這些特殊的噴流和其他屬性，如自旋、質量和方向。

同一黑洞的不同側面

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。但那是什么關系呢？科學家在2003年開始注意到兩個總的趨勢，但不知道如何調和它們。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？事實證明，它可能是黑洞有行為變化，允許它們在兩個狀態之間進入的一個簡單的例子。

圖注：黑洞噴流組成

南安普敦大學的邁克爾·科里亞特和他的團隊見證了一個黑洞經歷著這樣的變化。來自SRON的彼得·喬克和伊娃·拉蒂使用錢德拉和擴展的超大型陣列的數據，發現更多的黑洞表現出類似的行為。現在，科學家們對窄噴流和寬噴流之間的關系有了更好的理解，從而使科學家能夠開發更詳細的模型。

噴流里有什么？

現在，噴流中的物質將決定它們的力量。較重的物質很難加速，許多噴流以接近光速離開星系。這并不是說重型物質不能出現在噴流中，因為它們只能因為能源需求而以較慢的速度移動。在系統4U 1630-47中，情況似乎就是這樣，這個系統有一個恒星質量黑洞和一顆伴星。

圖注：4U 1630-47是一個恒星質量黑洞和一顆伴星系統。

瑪麗亞·迪亞斯·特里戈（Maria Diaz Trigo ）和她的團隊研究了4U 1630-47系統 ，在 2012 年XMM-牛頓天文臺記錄的X射線和來自它的無線電波，并將其與澳大利亞望遠鏡緊湊型陣列（ATCA）的當前觀測結果進行了比較。他們發現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到了鎳。科學家們注意到其光譜的變化，其速度接近光速的2/3，因此他們得出結論，在噴流中存在這種物質。

圖注：XMM-牛頓天文臺的太空望遠鏡

由于許多黑洞都位于這樣的系統中，因此這種情況可能很常見。值得注意的是，噴流中存在電子，因為它們的質量比原子核小，因此攜帶的能量更少。

這似乎解決了許多關于噴流的謎團。沒有人質疑它們是由物質構成的，但究竟是輕（電子）還是重（重）是一個重要的區別。科學家可以從其他觀測結果中看出，這些噴流有負電荷的電子。但是根據所測的電磁的讀數，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，以這樣的速度發射較重的物質需要更多的能量，因此，通過了解這些成分，科學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果。最后，如果大多數噴流是較重的物質，那么與它和外層氣體碰撞可能導致中微子形成，這解決了其他中微子的來源的部分謎團。

噴流的影響

那么這些噴流對它們的環境有什么影響呢？很多。噴流會與周圍的惰性氣體碰撞并加熱，在提高氣體溫度的同時，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。大多數時候，大量的氣體離開星系。

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

當科學家用斯皮策望遠鏡觀察M106時，他們得到了很好的證明。他們觀察到了加熱的氫，這是噴流活動的結果。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，也檢測到了螺旋臂，發現它們在撞擊較冷的氣體時，是由噴流的沖擊波形成的。這些可能是星系變橢圓，變老，充滿紅星而沒有產生新的恒星的原因。

圖注：NGC 1433是一個擁有雙重環狀結構的棒旋星系，位于時鐘座，距離地球約3000萬光年。

當 ALMA 查看 NGC 1433 和 PKS 1830-221 時，發現了有關此潛在結果的更多證據。在NGC 1433事件中，ALMA發現噴流攜帶著物質從SMBH中心延伸超過150光年。解釋PKS1830-221的數據被證明是具有挑戰性的，因為它是一個遙遠的物體，并且被一個前景星系引力透鏡。但是，來自太空觀測站、FERMI和ALMA的查默斯科技大學的伊萬·馬蒂-維達爾和他的團隊迎接了挑戰。他們共同發現，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相對應。這些如何影響他們周圍的環境仍然未知 。

圖注：ALMA望遠鏡建在智利北方沙漠，2013年3月全部竣工并投入使用。

一個可能的結果是，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，應該能夠恢復恒星的生長，但中央噴流實際上會把氣體的溫度升高到足以防止氣體凝結成原恒星。在查看赫歇爾空間天文臺觀測到的橢圓星系和非活躍的SMBHs的觀測結果后，科學家們得出這一結論。似乎由噴流形成的快速無線電波也創造了一種反饋脈沖，進一步防止恒星的形成。根據ALMA對鳳凰星系團的觀測，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，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造一個合適的環境。

圖注：鳳凰星系團

事實上，SMBH的噴流不僅能產生這些氣泡，還可能影響它們附近的恒星在中央凸起的旋轉。這是一個星系與其SMBH的近距離區域，科學家們多年來已經知道，隆起越大，其中的恒星移動得越快。戈達德航天飛行中心的弗朗塞斯科·湯梅西領導的研究人員，在用XMM-牛頓天文臺的太空望遠鏡觀察了42個星系后，找出了罪魁禍首。是的，你猜對了：噴流。當他們從膨脹的氣體中發現那些鐵同位素時，他們發現了這一點，這表明了這種聯系。當噴流撞擊附近的氣體時，能量和物質導致流出，通過能量的傳遞影響恒星運動，導致速度加快。

圖注：WISE1029，一個塵埃遮蔽的星系

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

圖注：NGC1377星系

想了解更多？科學家在NGC1377星系發現一股噴流，發現一個超大質量的黑洞。該黑洞的有500光年長度，有60光年寬，并以每小時50萬英里的速度飛行。乍一看這里沒什么大不了的，但當進一步檢查時，發現噴流是涼爽、稠密的，并且以螺旋狀、噴霧的方式退出。科學家假設氣體可能以不穩定的速度流入，或者另一個黑洞拉扯并造成奇怪的模式。

多少能量？

當然，任何關于黑洞的討論都不完整，除非找到與期望相反的東西。 MQ1是在南風車星系 （M 83） 中發現的恒星質量黑洞。這個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可以落入它，從而減少輻射后，一定量的能量離開黑洞。這個極限是基于黑洞質量的計算，但基于有多少能量被看到離開這個黑洞將需要一些修正。

圖注：南風車星系 （M 83） 中發現的恒星質量黑洞

這項研究由國際射電天文學研究中心的羅伯托·索里亞夫領導，基于錢德拉的數據，幫助發現了黑洞的質量。受噴流沖擊物質沖擊波產生的無線電輻射有助于計算噴流的凈動能，由哈勃望遠鏡和澳大利亞望遠鏡緊湊型陣列記錄。無線電波越亮，噴流與周圍物質的撞擊能量就越高。他們發現，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。

另一個考慮因素是物質離開黑洞。這些物質是以相同的速率離開，還是波動？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部沖擊模型所預測的，但證據卻很難找到。科學家需要發現噴流本身的一些波動，并跟蹤亮度的變化。

圖注：活躍的3C264（NGC 3862）星系

星系3C264（NGC 3862）提供了這樣的機會，在20年的時間里，科學家跟蹤到了以接近98%的光速的物質離開。在快速移動的物質團趕上減速的團塊后，它們相碰撞，并導致亮度增加 40%。科學家還發現了一個類似沖擊波的特征，并確實驗證了模型，可以部分解釋直到現在為止看到的不穩定的能量讀數。

噴流在周圍彈跳

Cygnus A給天體物理學家帶來了一個驚喜：在這個位于6億光年外的橢圓星系內，有一個SMBH，它的噴流在它里面彈跳！根據錢德拉的觀測，星系邊緣的熱點是噴流撞擊高電荷物質的結果。不知何故，SMBH在它周圍創造了一個空隙，長達10萬光年，寬26，000光年，帶電物質在它之外作為葉，形成了一個密集的區域。這可以將擊中它的噴流重定向到輔助位置，沿邊緣創建多個熱點。

圖注：噴流在Cygnus A星系中彈跳。不同的方法？

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

圖注：Circhinus星系