如何从超大质量黑洞喷流中发现奇怪物理现象？

超年夜质量黑洞暗藏在年夜大都星系的中间，常被描述为“野兽”或“怪物”。但尽管如斯，它们仍是“”无形”的。为了证实它们是存在的，天文学家凡是必需测量环抱这些区域的气体云的速度。可是这些物体有时会经由过程壮大的喷射物的发生而感触感染到它们的存在，它们携带的能量如斯之年夜，以至于它们可以或许比宿本家儿星系的恒星发出的所有光都相形见绌。我们知道这些“相对论喷射”是两束等离子体(物质由带电粒子构成，尽管没有总电荷)，以很是接近光速的速度标的目的相反的偏向移动。

半人马座A的喷流，图片版权：ESO/WFI (Optical); MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al. (Submillimetre); NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al. (X-ray, CC BY-SA

然而这些宇宙“喷泉”的物理学一向是个谜。此刻新论文颁发在《天然天文学》杂志上，揭示了它们非同平常的外不雅的原因。使相对论喷流不同凡响的是它们令人印象深刻的不变性：从一个庞大的黑洞(没有返回的处所)呈现，并传布到足够远的处所，从它们的宿本家儿星系平分离出来，同时连结它们的外形很长一段时候。这对应的长度是其初始半径的10亿倍——从这个角度来看，想象一个水喷泉从一个1厘米宽的软管流出，并连结1万公里的不间断。一旦喷流在距离它们的发源很远的处所传布，它们就掉去了连贯性，并成长出凡是近似于羽状或裂片的扩展布局。这表白喷流履历了某种水平的不不变性，足以完全改变它们的外不雅。

第一个天体物理学喷流发现于1918年由美国天文学家希柯蒂斯，他注重到“持续好奇雷…显然与物质的原子核由细线”在巨型椭圆星系M87。上宿世纪70年月，剑桥年夜学(University of Cambridge)伯尼·法纳洛夫(Bernie Fanaroff)和朱莉娅·赖利(Julia Riley)的两位天文学家研究了一组年夜型黑洞喷流。他们发现可以分为两类：一类是含有射流的喷流，亮度跟着距离的增添而降低，而那些在边缘处变得更亮的射流。总的来说后者的亮度年夜约是前者的100倍。它们在结尾的外形都稍有分歧——第一个就像一个燃烧的羽流，第二个就像一个细细的湍流。为什么有两种分歧类型的喷气机仍然是一个活跃的研究范畴。

当射流物质被黑洞加快时，它的速度达到光速的99.9%。当一个物体移动得如斯之快时，时候就会膨胀——换句话说，由一个外部不雅察者测量的射流的时候流就会像爱因斯坦的狭义相对论所展望的那样慢下来。正因为如斯，喷流的分歧部门之间的彼此交流需要更长的时候，好比在彼此影响或彼此影响的过程中。这有用地庇护了喷流不受干扰。然而，这种沟通的缺掉不会永远持续下去。当射流从黑洞喷射出来时，它会标的目的侧面膨胀。这种膨胀使射流内部的压力减小，而四周气体的压力也没有减小。

星系焦点是一个超年夜质量黑洞的概念图，图片版权：NASA

最终外部的气体压力跨越了射流内部的压力，经由过程挤压负气流缩短。若是喷流的某些部门在此时代变得不不变，可以互换这个信息，不不变会扩散到影响整个光束。飞机的扩张和缩短过程还有另一个主要的后果：气流不再沿着直线，而是沿着弯曲的路径。弯曲的气流很可能会受到“离心不不变性”的影响，这意味着它们起头形当作漩涡状布局，称为旋涡。直到比来这才被认为是对天体物理喷射的关头。事实上，具体的计较机模拟显示，相对论性射流因为离心不不变而变得不不变，这最初只影响到它们与银河气体的界面。

一旦它们因为外部压力而缩短，这种不不变就会扩散到整个星系。这种不不变性是如斯的灾难性，以至于喷流无法在这一点上存活下来，并给了一个狞恶的羽流。从这个角度来看，能更好地领会天体物理喷射的不变性。它还可以帮忙诠释Fanaroff和Riley发现的两类谜一样的飞机——这完全取决于它离星系的距离有多远。用计较机模拟了这些喷射流的样子，这是基于我们对这些宇宙射线的物理学的新理解，它们很是像在天文不雅测中看到的两个类。在星系中间栖身的庞大的野活泼物还有良多需要领会的处所。但垂垂地揭开了他们的神秘面纱，显示出他们确实是完全守法和可展望的。

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参考：Nature Astronomy

内容：经“博科园”鉴定合适今本家儿流科学

来自：The Conversation

编译：中子星

审校：博科园

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