2024年9月18日，著名科學期刊【自然】（Nature）發表了一篇重磅論文，歐洲和美國的天文學家們透過最新的射電觀測手段，發現了一個長達2300萬光年（大約700萬秒差距）的超長黑洞噴流，並將其命名為「波耳費利翁」（Porphyrion），這個詞所指的是古希臘神話中的一位巨人。
這一發現不僅重新整理了我們對黑洞噴流長度的認知，也為理解黑洞在宇宙大尺度結構中的作用提供了全新視角。作為迄今為止觀測到的最長黑洞噴流，「波耳費利翁」噴流猶如一把穿透宇宙的「利劍」，揭示了黑洞噴流能夠在極端環境中保持穩定、筆直傳播的性質。
閱讀貼士：
就此次重磅發現，我們策劃了「迄今最長黑洞噴流」系列，分3篇文章，分別從黑洞噴流的發現、黑洞噴流的形成與黑洞噴流的研究價值三個角度，為你解讀此次科學成果，帶你了解關於黑洞噴流的故事。
這個超長的黑洞噴流，是如何被發現的？
「波耳費利翁」（Porphyrion）噴流的發現，是天文學家們借助先進射電望遠鏡和全球科研協作的結果。這一壯觀的宇宙景象，得益於多項頂尖觀測器材的聯合探索，其中最為關鍵的是分布在歐洲的低頻陣列射電望遠鏡——LOFAR（Low-Frequency Array）。
LOFAR專註於觀測30 MHz至240 MHz頻段的射電波，能夠捕捉到宇宙深處極其微弱的訊號，尤其擅長揭示星系間那龐大而神秘的結構。正是LOFAR的高靈敏度，使我們得以窺見這延展至2300萬光年的噴流系統，揭示了這個龐然大物的輪廓。
LOFAR射電望遠鏡陣列拍攝的「波耳費利翁」
（圖片來源：LOFAR合作組織Martijn Oei）
為了進一步驗證LOFAR的初步發現，科學家們轉向印度的巨型米波射電望遠鏡（Giant Meterwave Radio Telescope, GMRT），這是世界上最大的射電望遠鏡之一，擅長捕捉中低頻射電波。透過GMRT的高分辨率射電影像，研究團隊得以細致描繪出噴流的結構與規模，展現了它如同宇宙長矛般穿越時空的壯麗畫卷。
然而，噴流的故事並不止於此。科學家們使用凱克天文台（W. M. Keck Observatory， WMKO）和暗能量光譜儀（Dark Energy Spectroscopic Instrument，DESI），透過光學和光譜觀測，精準地測定了噴流宿主星系的距離和質素。原來，這一噴流源自距地球約75億光年外的一個巨型星系，其質素是銀河系的十倍。
為了探尋更多類似的宇宙發現，研究團隊不僅依賴於器材力量，還借助了機器學習演算法與全球公民科學家的幫助。透過掃描海量射電影像，機器學習精準辨識出那些宇宙深處的微弱噴流，而公民科學家的參與則進一步確認了這些結構的真實性。這種科技與人類智慧的協作，最終使得「波耳費利翁」噴流得以展現。
此次觀測，與當年拍攝黑洞照片有何不同？
2019年的黑洞照片讓我們欣喜，而此次發現的「波耳費利翁」超長黑洞噴流與2019年首次拍攝到的黑洞照片（即M87星系中心的超大質素黑洞陰影），雖然都是關於黑洞的重要天文觀測，但在觀測目的和科學意義上有顯著的區別和聯系：
1、觀測目標的明顯差別：
首先，兩次觀測目標都有比較明顯的差別。2019年的黑洞照片拍攝，事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope, EHT）團隊拍攝到的黑洞照片展示了位於M87星系中心的超大質素黑洞的「陰影」和其周圍的吸積盤。
這些影像首次直觀地展示了黑洞的事件視界，以及強大重力場對周圍光線的彎曲效應，證實了愛因斯坦廣義相對論的預言。而「波耳費利翁」黑洞噴流觀測的目標是研究黑洞噴流的形成、演化及其對星系際介質的影響。
這個噴流系統展示了黑洞在極大尺度上釋放能量的能力，其規模達到了2300萬光年，遠遠超出了單個星系的範圍，甚至影響到整個宇宙網（cosmic web）的結構(達到了66%宇宙網半徑)。這一發現為我們理解黑洞在宇宙大尺度結構中的作用提供了新的視角。
2、觀測器材的不同：
其次，拍攝黑洞照片使用的是事件視界望遠鏡，它結合了全球多個射電望遠鏡組成的虛擬口徑，相當於地球大小的望遠鏡陣列。EHT主要觀測毫米波段的射電波長，能夠分辨出黑洞周圍的超高能量物質釋放區域及事件視界的輪廓。
而「波耳費利翁」噴流的發現，是透過低頻射電望遠鏡陣列以及印度的大型米波射電望遠鏡等器材觀測的。
與EHT聚焦於黑洞附近的極小尺度不同，這些射電望遠鏡能夠捕捉到黑洞噴流在幾千萬光年尺度上的輻射情況，揭示了噴流在星系際介質中的傳播特性。
3、分別展示了黑洞「靜態」與「動態」：
最後，黑洞照片展示了黑洞的「靜態」性質，即其事件視界附近的結構。而「波耳費利翁」噴流揭示了黑洞的「動態」行為，即黑洞如何在極大尺度上影響其周圍環境。
這兩項觀測共同表明了黑洞不僅在小尺度上具有強大的重力作用，而且在大尺度上透過噴流等機制對星系及宇宙網產生影響。黑洞照片驗證了愛因斯坦的廣義相對論，而波耳費利翁噴流的觀測則為研究黑洞與星系之間的反饋機制、黑洞如何透過噴流影響宇宙網的結構提供了新的證據。這兩者相結合，有助於構建一個更為完整的黑洞物理學理論。
未來的研究可能會嘗試將這兩種不同尺度的觀測結合起來，進一步揭示黑洞從小尺度（事件視界）到大尺度（噴流影響）的物理機制。這將需要更高分辨率的望遠鏡（如改進版的EHT）和更廣泛的射電觀測網絡（如平方公裏陣列望遠鏡SKA），以同時研究黑洞的微觀和宏觀現象，這有點類似於2023年上海天文台領導的M87黑洞的全景照片專案，不僅是得到了黑洞的照片，還得到了黑洞噴流的照片。不過相比較而言，黑洞的全景照片還是在黑洞周圍比較小的範圍之內。
2023年上海天文台領導拍攝到的M87黑洞全景照片
（圖片來源：中國科學院上海天文台）
總而言之，黑洞照片和波耳費利翁噴流分別展示了黑洞在不同尺度上的神秘面貌，它們之間的研究相輔相成，共同推動我們對宇宙中最極端天體的理解。
出品：科普中國
作者：茍利軍（中國科學院國家天文台）
監制：中國科普博覽
