一項(xiàng)由科廷大學(xué)牽頭、聯(lián)合全球多臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡開(kāi)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(dāng)于一萬(wàn)顆太陽(yáng)，長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)于黑洞如何重塑宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的理論因此獲得重要觀測(cè)支撐。

論文發(fā)表在《自然·天文學(xué)》上，研究團(tuán)隊(duì)以著名的X射線雙星系統(tǒng)“天鵝座X-1”為目標(biāo)，這一系統(tǒng)包含已被確證的首個(gè)黑洞以及一顆質(zhì)量巨大的超巨星。 觀測(cè)結(jié)果表明，該系統(tǒng)產(chǎn)生的噴流在瞬時(shí)輸出的能量層面上，可與約一萬(wàn)顆太陽(yáng)的能量相匹敵。

為實(shí)現(xiàn)這一測(cè)量，科學(xué)家將分布在全球各地的射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行聯(lián)機(jī)，構(gòu)建出“地球級(jí)口徑”的觀測(cè)陣列，從而在極高角分辨率下捕捉噴流在軌道周期中的細(xì)微變化。 研究指出，當(dāng)黑洞繞著伴星運(yùn)行時(shí)，超巨星強(qiáng)勁的恒星風(fēng)不斷沖擊噴流，使噴流方向偏轉(zhuǎn)、軌跡搖擺，類似強(qiáng)風(fēng)吹亂噴泉水柱的情形。

通過(guò)同時(shí)分析恒星風(fēng)的強(qiáng)度與噴流被偏折的幅度，團(tuán)隊(duì)首次在“實(shí)時(shí)”尺度上反推噴流功率，而非像以往那樣只做橫跨成千上萬(wàn)年時(shí)間尺度的長(zhǎng)期平均估算。 結(jié)果顯示，黑洞附近物質(zhì)向內(nèi)墜落過(guò)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(zhǎng)期以來(lái)宇宙大尺度數(shù)值模擬中的常用假設(shè)高度吻合，但此前一直缺乏直接觀測(cè)驗(yàn)證。

研究還給出了噴流速度這一關(guān)鍵參數(shù)：噴流物質(zhì)以約光速一半的速度射出，大約為每秒15萬(wàn)公里（約9.3萬(wàn)英里），這一數(shù)值幾十年來(lái)一直難以精確確定。 論文第一作者、現(xiàn)工作于牛津大學(xué)的Steve Prabu博士形象地將這些被恒星風(fēng)不斷“推打”的噴流稱為“跳舞的噴流”，用以描述它們?cè)陔p星軌道運(yùn)動(dòng)中方向不停變化的動(dòng)態(tài)景象。

合著者之一、來(lái)自科廷大學(xué)射電天文學(xué)研究所和國(guó)際射電天文學(xué)研究中心科廷分部的James Miller-Jones教授指出，此前的技術(shù)手段主要給出的是噴流在極長(zhǎng)時(shí)間基線上的平均功率，很難與物質(zhì)落入黑洞時(shí)即時(shí)產(chǎn)生的X射線輻射一一對(duì)應(yīng)。 在本次研究中，由于能夠在軌道周期內(nèi)連續(xù)追蹤噴流受恒星風(fēng)彎折的程度，科學(xué)家得以將噴流能量與X射線能量在同一時(shí)間尺度上進(jìn)行直接對(duì)比。

Miller-Jones教授強(qiáng)調(diào)，理論普遍認(rèn)為，不論黑洞質(zhì)量大小，其附近的物理過(guò)程在本質(zhì)上高度相似，從恒星級(jí)黑洞到超大質(zhì)量黑洞皆然。 因此，本次對(duì)“天鵝座X-1”噴流功率的精確測(cè)定，為理解不同尺度黑洞噴流提供了一個(gè)重要“錨點(diǎn)”，可用來(lái)校準(zhǔn)質(zhì)量是太陽(yáng)10倍到一千萬(wàn)倍級(jí)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(shè)的平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡等新一代大科學(xué)裝置投入運(yùn)行，天文學(xué)家預(yù)計(jì)將探測(cè)到來(lái)自數(shù)百萬(wàn)個(gè)遙遠(yuǎn)星系的黑洞噴流信號(hào)。 研究團(tuán)隊(duì)表示，有了這一次對(duì)“天鵝座X-1”的標(biāo)桿性測(cè)量，未來(lái)在統(tǒng)計(jì)和解釋這些龐大樣本的整體能量輸出時(shí)，將能更準(zhǔn)確地評(píng)估黑洞對(duì)宿主星系氣體、恒星形成乃至大尺度宇宙結(jié)構(gòu)的反饋?zhàn)饔谩?/p>

研究指出，黑洞噴流是改變周圍環(huán)境、塑造星系演化的關(guān)鍵物理機(jī)制之一，它們可以把能量和物質(zhì)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(diào)節(jié)器”的角色。 本次利用“跳舞的噴流”進(jìn)行的功率測(cè)量，為這一宏觀圖景增加了堅(jiān)實(shí)的觀測(cè)基準(zhǔn)，有望推動(dòng)人類對(duì)黑洞及其噴流在宇宙演化中核心地位的進(jìn)一步理解。