如何從超大質量黑洞噴流中發現奇怪物理現象？
超大質量黑洞潛伏在大多數星系的中心，常被描述為「野獸」或「怪物」。但儘管如此，它們還是「」無形」的。為了證明它們是存在的，天文學家通常必須測量環繞這些區域的氣體雲的速度。但是這些物體有時會通過強大的噴射物的產生而感受到它們的存在，它們攜帶的能量如此之大，以至於它們能夠比宿主星系的恆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(物質由帶電粒子組成，儘管沒有總電荷)，以非常接近光速的速度向相反的方向移動。
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」的物理學一直是個謎。現在新論文發表在《自然天文學》雜誌上，揭示了它們非同尋常的外觀的原因。使相對論噴流與眾不同的是它們令人印象深刻的穩定性：從一個巨大的黑洞(沒有返回的地方)出現，並傳播到足夠遠的地方，從它們的宿主星系中分離出來，同時保持它們的形狀很長一段時間。這對應的長度是其初始半徑的10億倍——從這個角度來看，想像一個水噴泉從一個1厘米寬的軟管流出，並保持1萬公里的不間斷。一旦噴流在距離它們的起源很遠的地方傳播，它們就失去了連貫性，並發展出通常類似於羽狀或裂片的擴展結構。這表明噴流經歷了某種程度的不穩定性，足以完全改變它們的外觀。
第一個天體物理學噴流發現於1918年由美國天文學家希柯蒂斯，他注意到「連續好奇雷…顯然與物質的原子核由細線」在巨型橢圓星系M87。上世紀70年代，劍橋大學(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大型黑洞噴流。他們發現可以分為兩類：一類是含有射流的噴流，亮度隨著距離的增加而降低，而那些在邊緣處變得更亮的射流。總的來說後者的亮度大約是前者的100倍。它們在末端的形狀都稍有不同——第一個就像一個燃燒的羽流，第二個就像一個細細的湍流。為什麼有兩種不同類型的噴氣機仍然是一個活躍的研究領域。
當射流物質被黑洞加速時，它的速度達到光速的99.9%。當一個物體移動得如此之快時，時間就會膨脹——換句話說，由一個外部觀察者測量的射流的時間流就會像愛因斯坦的狹義相對論所預測的那樣慢下來。正因為如此，噴流的不同部分之間的相互交流需要更長的時間，比如在相互影響或相互影響的過程中。這有效地保護了噴流不受干擾。然而，這種溝通的缺失不會永遠持續下去。當射流從黑洞噴射出來時，它會向側面膨脹。這種膨脹使射流內部的壓力減小，而周圍氣體的壓力也沒有減小。
星系核心是一個超大質量黑洞的概念圖，圖片版權：NASA
最終外部的氣體壓力超過了射流內部的壓力，通過擠壓使氣流收縮。如果噴流的某些部分在此期間變得不穩定，可以交換這個信息，不穩定會擴散到影響整個光束。飛機的擴張和收縮過程還有另一個重要的後果：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「離心不穩定性」的影響，這意味著它們開始形成漩渦狀結構，稱為旋渦。直到最近這才被認為是對天體物理噴射的關鍵。事實上，詳細的計算機模擬顯示，相對論性射流由於離心不穩定而變得不穩定，這最初隻影響到它們與銀河氣體的界面。
一旦它們由於外部壓力而收縮，這種不穩定就會擴散到整個星系。這種不穩定性是如此的災難性，以至於噴流無法在這一點上存活下來，並給了一個狂暴的羽流。從這個角度來看，能更好地了解天體物理噴射的穩定性。它還可以幫助解釋Fanaroff和Riley發現的兩類謎一樣的飛機——這完全取決於它離星系的距離有多遠。用計算機模擬了這些噴射流的樣子，這是基於我們對這些宇宙射線的物理學的新理解，它們非常像在天文觀測中看到的兩個類。在星系中心居住的巨大的野生動物還有很多需要了解的地方。但漸漸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預測的。
知識：科學無國界，博科園-科學科普
參考：Nature Astronomy
內容：經「博科園」判定符合今主流科學
來自：The Conversation
編譯：中子星
審校：博科園
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傳播：博科園
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