“天鵝座X-1”觀測刷新宇宙演化模型 黑洞噴流釋放堪比一萬顆太陽能量

一項由科廷大學牽頭、聯(lián)合全球多臺射電望遠鏡開展的新研究顯示，黑洞噴流所攜帶的能量極其驚人，其功率可相當于一萬顆太陽，長期以來關于黑洞如何重塑宇宙大尺度結構的理論因此獲得重要觀測支撐。

論文發(fā)表在《自然·天文學》上，研究團隊以著名的X射線雙星系統(tǒng)“天鵝座X-1”為目標，這一系統(tǒng)包含已被確證的首個黑洞以及一顆質量巨大的超巨星。 觀測結果表明，該系統(tǒng)產(chǎn)生的噴流在瞬時輸出的能量層面上，可與約一萬顆太陽的能量相匹敵。

為實現(xiàn)這一測量，科學家將分布在全球各地的射電望遠鏡進行聯(lián)機，構建出“地球級口徑”的觀測陣列，從而在極高角分辨率下捕捉噴流在軌道周期中的細微變化。 研究指出，當黑洞繞著伴星運行時，超巨星強勁的恒星風不斷沖擊噴流，使噴流方向偏轉、軌跡搖擺，類似強風吹亂噴泉水柱的情形。

通過同時分析恒星風的強度與噴流被偏折的幅度，團隊首次在“實時”尺度上反推噴流功率，而非像以往那樣只做橫跨成千上萬年時間尺度的長期平均估算。 結果顯示，黑洞附近物質向內墜落過程中所釋放能量的大約一成，被噴流以高速拋出并注入周圍環(huán)境，這一比例與長期以來宇宙大尺度數(shù)值模擬中的常用假設高度吻合，但此前一直缺乏直接觀測驗證。

研究還給出了噴流速度這一關鍵參數(shù)：噴流物質以約光速一半的速度射出，大約為每秒15萬公里（約9.3萬英里），這一數(shù)值幾十年來一直難以精確確定。 論文第一作者、現(xiàn)工作于牛津大學的Steve Prabu博士形象地將這些被恒星風不斷“推打”的噴流稱為“跳舞的噴流”，用以描述它們在雙星軌道運動中方向不停變化的動態(tài)景象。

合著者之一、來自科廷大學射電天文學研究所和國際射電天文學研究中心科廷分部的James Miller-Jones教授指出，此前的技術手段主要給出的是噴流在極長時間基線上的平均功率，很難與物質落入黑洞時即時產(chǎn)生的X射線輻射一一對應。 在本次研究中，由于能夠在軌道周期內連續(xù)追蹤噴流受恒星風彎折的程度，科學家得以將噴流能量與X射線能量在同一時間尺度上進行直接對比。

Miller-Jones教授強調，理論普遍認為，不論黑洞質量大小，其附近的物理過程在本質上高度相似，從恒星級黑洞到超大質量黑洞皆然。 因此，本次對“天鵝座X-1”噴流功率的精確測定，為理解不同尺度黑洞噴流提供了一個重要“錨點”，可用來校準質量是太陽10倍到一千萬倍級別的各類黑洞噴流模型。

隨著正在澳大利亞西部和南非建設的平方公里陣列射電望遠鏡等新一代大科學裝置投入運行，天文學家預計將探測到來自數(shù)百萬個遙遠星系的黑洞噴流信號。 研究團隊表示，有了這一次對“天鵝座X-1”的標桿性測量，未來在統(tǒng)計和解釋這些龐大樣本的整體能量輸出時，將能更準確地評估黑洞對宿主星系氣體、恒星形成乃至大尺度宇宙結構的反饋作用。

研究指出，黑洞噴流是改變周圍環(huán)境、塑造星系演化的關鍵物理機制之一，它們可以把能量和物質注入星系際空間，抑制或觸發(fā)新一代恒星形成，從而在宇宙歷史中扮演“調節(jié)器”的角色。 本次利用“跳舞的噴流”進行的功率測量，為這一宏觀圖景增加了堅實的觀測基準，有望推動人類對黑洞及其噴流在宇宙演化中核心地位的進一步理解。