全球第二張黑洞照片來了。
4月初，距離全球首張黑洞照片發佈一年，天文學家團隊獲得了一張由超大質量黑洞驅動的巨大等離子體射流的圖像，這張照片顯示黑洞正向外猛烈噴射大量物質。
雖然這張照片依舊高糊，但它首次揭示了黑洞噴射流是呈彎曲狀，顛覆了天文學家以往對黑洞輻射流呈直線狀的印象。
55億光年外的黑洞長這樣
第二張黑洞照片上的超大質量黑洞位於距離地球約55億光年外的類星體中心，從論文信息看，這張黑洞照片拍攝於2017年4月，同樣由事件視界望遠鏡拍攝；該類星體看起來非常明亮，在很多年前就被天文學家命名為3C 279。
“類星體就是看上去類似恆星的天體，是一類離地球很遠、能量很高的河外星系的活動星系核，中心是猛烈吞噬周圍物質的、質量超過千萬太陽質量的超大質量黑洞。”中國科學院紫金山天文臺研究員劉四明告訴科技週刊記者，類星體、脈衝星、微波背景輻射和星際有機分子一度被稱為20世紀60年代天文學的“四大發現”。
長期以來，因類星體距離遙遠，以及黑洞體積很小等原因，天文學家對這類天體的探索手段有限。不過，由於黑洞強大的引力，使得周圍物質在落入黑洞的過程中發生“劇烈摩擦生熱”，並釋放出巨大的能量，類星體便成為了宇宙中最耀眼的天體，而這一次事件視界望遠鏡的突破就在於觀測到噴流的詳細結構。
天文學家在論文中稱，3C 279是一顆具有顯著無線電射流的光學劇變類星體，其接近光速運動的物質噴流被認為指向地球方向，由於多普勒效應呈現出比其它類星體更亮和更多變的高能輻射特徵。不同於其他光學劇變類星體，3C 279中心的超大質量黑洞周圍還盤旋著一個能發出強烈輻射的氣體吸積盤（環繞在黑洞周圍的氣體和塵埃混合物），並往外噴射火焰狀的高速等離子體。
有史以來最高分辨率拍到噴流
黑洞向外噴物質，很早以前天文學家就已經瞭解。劉四明介紹，上個世紀五六十年代，人類對黑洞還沒有直接觀測證據的時候，就已經發現噴流的存在，當時天文學家就猜測這種攜帶巨大能量的噴流不太可能由恆星產生，於是便開始懷疑它由黑洞產生。
此前，錢德拉太空望遠鏡等也曾發現過類似的黑洞噴流，這次，事件視界望遠鏡依靠史上最高的分辨率拍到了噴流照片。
“黑洞產生噴流的過程可以通俗的解釋為物質掉落黑洞時相互擁擠碰撞併發熱，造成一部分物質被擠出來。”劉四明解釋，其產生機制可總結為物質掉落黑洞時形成吸盤，沿著吸盤方向的物質容易掉進去；而垂直於吸盤方向的物質就容易被擠壓噴射出來。
去年4月公佈的世界第一張黑洞照片並沒有看到噴流，對此劉四明回答，黑洞的噴流一直存在，不同的望遠鏡看到的噴流大小方向都不一樣；此次位於德國波恩的馬普射電天文研究所Jae Young Kim團隊得到的有史以來最高分辨率的觀測，由於噴流角度和輻射性質正好，所以可以拍到黑洞附近的噴流結構；第一次黑洞照片沒拍到噴流，是因為室女座黑洞的噴流在觀測視場之外。
第二張黑洞照片發佈後，有網友表示還是感覺模糊不清。劉四明說，雖然望遠鏡的分辨率有史以來最高，但依然有限。有趣的是，拍攝這張照片只用了4天，“修圖”卻花了3年；這4天內，天文學家收集到了大量的數據，然後彙總到馬克斯射電天文學研究所和麻省理工學院的超級計算機上，進行分析與合成，隨後歷經3年才問世。
噴流彎曲突破天文學家假想
2017年4月，天文學家通過超高角分辨率技術——1.3mm（230GHz）VLBI技術（甚長基線干涉測量技術，一種用於射電天文學中的天文干涉測量方法）對3C 279的中心噴射流的精細結構進行了4次觀測，最終發現該噴射流底部的彎曲形態。
這與天文學家以往的認知有很大的差距，在拍攝到這張照片之前，天文學家假想黑洞的噴射流是呈直線狀；但第二張照片揭示了噴射流底部似乎是彎曲的。
至於噴流為什麼是彎曲的，劉四明解釋，一直以來，科學家們觀測到的黑洞噴流尺度比星系尺度還要大，在整個大尺度上，噴流總體就是一條直線，這是基本的觀測事實。這次噴流呈彎曲狀，劉四明猜測與磁場有關，“掉落黑洞中物質被擠壓加熱後完全電離（在動能作用下，原子、分子形成離子的過程）產生磁場，磁場就像一個拉不斷的橡皮筋，你越拉它越強； 此次照片顯示的彎曲狀噴流很可能代表磁場的一種結構，磁場在吸盤裡被拉彎，便造成噴流彎曲的現象。”
哈佛大學和史密森大學天體物理中心則認為，這或許是噴射過程中的衝擊波和不穩定性，導致了噴流的扭曲形狀。也有科學家認為，這可能與高能的伽馬射線有關。總之，對於這個現象，天文學家還沒有一個統一的解釋，目前也只能靠提出各種假說然後由未來觀測驗證。
噴流背後，探尋星系演化的秘密
研究黑洞噴流有什麼意義？劉四明表示，噴流是黑洞非常顯著的觀測特徵，噴流也攜帶了巨大的能量併產生輻射，通過光學望遠鏡看到的黑洞噴流亮度甚至高於整個星系的亮度；所以研究噴流噴出來的物質，對研究噴流所在整個星系的形成演化都有重要的作用。
“噴流是宇宙中一種非常劇烈的能量釋放事件，它影響的尺度從黑洞附近一直到整個星系外面，影響範圍極大，對整個宇宙結構和星系演化都有重要的影響。”劉四明說，噴流還可以解答黑洞是如何進食和生長的，黑洞並不會全部吞噬吸盤裡的物質，而是拋出其中一部分，至於吞得多還是拋的多，有很大的不確定性。
總之，黑洞噴流在星際結構演變中的重要性不言而喻，它的真實照片不僅可以幫助天文學家推演星系中壯觀噴流是如何形成並影響星系演化的，還可能顛覆人類此前對黑洞，甚至引力、宇宙的認知，正如這一次的照片，就是從噴流和氣體吸積盤的層面為天文學家帶來了新的發現和信息。而隨著事件視界望遠鏡探測深度的加強，未來還將有更多有意思的現象被發現。
拍到噴流照片的下一步研究方向是什麼？劉四明認為，這次拍攝到的黑洞和去年那個相比要遠很多，這表明事件視界望遠鏡的整體研究方向在擴大，結合高分辨率的觀測，將把整個超大質量黑洞以往的研究分支慢慢統一起來。“既然我們現在可以看到黑洞附近的景象，可以驗證愛因斯坦的廣義相對論；將來也有可能就發現一些問題和證據，表明這套理論可能還不夠完善。”
劉四明還透露，他的同事袁強研究員正在研究黑洞附近一些超出粒子物理標準模型的現象，他們相信黑洞附近存在大量叫“軸子”的粒子；如果真實存在，會對黑洞成像有一定影響；他們正在通過事件視界望遠鏡，探索“軸子”存在的證據。
（素材來源/《天體學與天體物理學》期刊 、新華報業網 編輯/趙陽 江北新區融媒體中心出品）
