迄今最长黑洞喷流！远在75亿光年之外，如何被发现？

出品：科普中国

作者：苟利军（中国科学院国家天文台）

监制：中国科普博览

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2024年9月18日，著名科学期刊《自然》（Nature）发表了一篇重磅论文，欧洲和美国的天文学家们通过最新的射电观测手段，发现了一个长达2300万光年（大约700万秒差距）的超长黑洞喷流，并将其命名为“波耳费里翁”（Porphyrion），这个词所指的是古希腊神话中的一位巨人。

艺术家笔下描绘的“波尔费里翁”

（图片来源：E. Wernquist / D. Nelson / M. Oei）

这一发现不仅刷新了我们对黑洞喷流长度的认知，也为理解黑洞在宇宙大尺度结构中的作用提供了全新视角。作为迄今为止观测到的最长黑洞喷流，“波耳费里翁”喷流犹如一把穿透宇宙的“利剑”，揭示了黑洞喷流能够在极端环境中保持稳定、笔直传播的性质。

阅读贴士：

就此次重磅发现，我们策划了“迄今最长黑洞喷流”系列，分3篇文章，分别从黑洞喷流的发现、黑洞喷流的形成与黑洞喷流的研究价值三个角度，为你解读此次科学成果，带你了解关于黑洞喷流的故事。

这个超长的黑洞喷流，是如何被发现的？

“波耳费里翁”（Porphyrion）喷流的发现，是天文学家们借助先进射电望远镜和全球科研协作的结果。这一壮观的宇宙景象，得益于多项顶尖观测设备的联合探索，其中最为关键的是分布在欧洲的低频阵列射电望远镜——LOFAR（Low-Frequency Array）。

LOFAR专注于观测30 MHz至240 MHz频段的射电波，能够捕捉到宇宙深处极其微弱的信号，尤其擅长揭示星系间那庞大而神秘的结构。正是LOFAR的高灵敏度，使我们得以窥见这延展至2300万光年的喷流系统，揭示了这个庞然大物的轮廓。

LOFAR射电望远镜阵列拍摄的“波耳费里翁”

（图片来源：LOFAR合作组织Martijn Oei）

为了进一步验证LOFAR的初步发现，科学家们转向印度的巨型米波射电望远镜（Giant Meterwave Radio Telescope, GMRT），这是世界上最大的射电望远镜之一，擅长捕捉中低频射电波。通过GMRT的高分辨率射电图像，研究团队得以细致描绘出喷流的结构与规模，展现了它如同宇宙长矛般穿越时空的壮丽画卷。

然而，喷流的故事并不止于此。科学家们使用凯克天文台（W. M. Keck Observatory， WMKO）和暗能量光谱仪（Dark Energy Spectroscopic Instrument，DESI），通过光学和光谱观测，精准地测定了喷流宿主星系的距离和质量。原来，这一喷流源自距地球约75亿光年外的一个巨型星系，其质量是银河系的十倍。

为了探寻更多类似的宇宙发现，研究团队不仅依赖于设备力量，还借助了机器学习算法与全球公民科学家的帮助。通过扫描海量射电图像，机器学习精准识别出那些宇宙深处的微弱喷流，而公民科学家的参与则进一步确认了这些结构的真实性。这种科技与人类智慧的协作，最终使得“波耳费里翁”喷流得以展现。

此次观测，与当年拍摄黑洞照片有何不同？

2019年的黑洞照片让我们欣喜，而此次发现的“波耳费里翁”超长黑洞喷流与2019年首次拍摄到的黑洞照片（即M87星系中心的超大质量黑洞阴影），虽然都是关于黑洞的重要天文观测，但在观测目的和科学意义上有显著的区别和联系：

1.观测目标的明显差别：

首先，两次观测目标都有比较明显的差别。2019年的黑洞照片拍摄，事件视界望远镜（Event Horizon Telescope, EHT）团队拍摄到的黑洞照片展示了位于M87星系中心的超大质量黑洞的“阴影”和其周围的吸积盘。

2019年拍摄到的黑洞照片

（图片来源：事件视界望远镜团队）

这些图像首次直观地展示了黑洞的事件视界，以及强大引力场对周围光线的弯曲效应，证实了爱因斯坦广义相对论的预言。而“波耳费里翁”黑洞喷流观测的目标是研究黑洞喷流的形成、演化及其对星系际介质的影响。

这个喷流系统展示了黑洞在极大尺度上释放能量的能力，其规模达到了2300万光年，远远超出了单个星系的范围，甚至影响到整个宇宙网（cosmic web）的结构(达到了66%宇宙网半径)。这一发现为我们理解黑洞在宇宙大尺度结构中的作用提供了新的视角。

2.观测设备的不同：

其次，拍摄黑洞照片使用的是事件视界望远镜，它结合了全球多个射电望远镜组成的虚拟口径，相当于地球大小的望远镜阵列。EHT主要观测毫米波段的射电波长，能够分辨出黑洞周围的超高能量物质释放区域及事件视界的轮廓。

而“波耳费里翁”喷流的发现，是通过低频射电望远镜阵列以及印度的大型米波射电望远镜等设备观测的。

与EHT聚焦于黑洞附近的极小尺度不同，这些射电望远镜能够捕捉到黑洞喷流在几千万光年尺度上的辐射情况，揭示了喷流在星系际介质中的传播特性。

3.分别展示了黑洞“静态”与“动态”：

最后，黑洞照片展示了黑洞的“静态”性质，即其事件视界附近的结构。而“波耳费里翁”喷流揭示了黑洞的“动态”行为，即黑洞如何在极大尺度上影响其周围环境。

这两项观测共同表明了黑洞不仅在小尺度上具有强大的引力作用，而且在大尺度上通过喷流等机制对星系及宇宙网产生影响。黑洞照片验证了爱因斯坦的广义相对论，而波耳费里翁喷流的观测则为研究黑洞与星系之间的反馈机制、黑洞如何通过喷流影响宇宙网的结构提供了新的证据。这两者相结合，有助于构建一个更为完整的黑洞物理学理论。

未来的研究可能会尝试将这两种不同尺度的观测结合起来，进一步揭示黑洞从小尺度（事件视界）到大尺度（喷流影响）的物理机制。这将需要更高分辨率的望远镜（如改进版的EHT）和更广泛的射电观测网络（如平方公里阵列望远镜SKA），以同时研究黑洞的微观和宏观现象，这有点类似于2023年上海天文台领导的M87黑洞的全景照片项目，不仅是得到了黑洞的照片，还得到了黑洞喷流的照片。不过相比较而言，黑洞的全景照片还是在黑洞周围比较小的范围之内。

2023年上海天文台领导拍摄到的M87黑洞全景照片

（图片来源：中国科学院上海天文台）

总而言之，黑洞照片和波耳费里翁喷流分别展示了黑洞在不同尺度上的神秘面貌，它们之间的研究相辅相成，共同推动我们对宇宙中最极端天体的理解。

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