“天鹅座X-1”观测刷新宇宙演化模型 黑洞喷流释放堪比一万颗太阳能量

一项由科廷大学牵头、联合全球多台射电望远镜开展的新研究显示，黑洞喷流所携带的能量极其惊人，其功率可相当于一万颗太阳，长期以来关于黑洞如何重塑宇宙大尺度结构的理论因此获得重要观测支撑。

论文发表在《自然·天文学》上，研究团队以著名的X射线双星系统“天鹅座X-1”为目标，这一系统包含已被确证的首个黑洞以及一颗质量巨大的超巨星。 观测结果表明，该系统产生的喷流在瞬时输出的能量层面上，可与约一万颗太阳的能量相匹敌。

为实现这一测量，科学家将分布在全球各地的射电望远镜进行联机，构建出“地球级口径”的观测阵列，从而在极高角分辨率下捕捉喷流在轨道周期中的细微变化。 研究指出，当黑洞绕着伴星运行时，超巨星强劲的恒星风不断冲击喷流，使喷流方向偏转、轨迹摇摆，类似强风吹乱喷泉水柱的情形。

通过同时分析恒星风的强度与喷流被偏折的幅度，团队首次在“实时”尺度上反推喷流功率，而非像以往那样只做横跨成千上万年时间尺度的长期平均估算。 结果显示，黑洞附近物质向内坠落过程中所释放能量的大约一成，被喷流以高速抛出并注入周围环境，这一比例与长期以来宇宙大尺度数值模拟中的常用假设高度吻合，但此前一直缺乏直接观测验证。

研究还给出了喷流速度这一关键参数：喷流物质以约光速一半的速度射出，大约为每秒15万公里（约9.3万英里），这一数值几十年来一直难以精确确定。 论文第一作者、现工作于牛津大学的Steve Prabu博士形象地将这些被恒星风不断“推打”的喷流称为“跳舞的喷流”，用以描述它们在双星轨道运动中方向不停变化的动态景象。

合著者之一、来自科廷大学射电天文学研究所和国际射电天文学研究中心科廷分部的James Miller-Jones教授指出，此前的技术手段主要给出的是喷流在极长时间基线上的平均功率，很难与物质落入黑洞时即时产生的X射线辐射一一对应。 在本次研究中，由于能够在轨道周期内连续追踪喷流受恒星风弯折的程度，科学家得以将喷流能量与X射线能量在同一时间尺度上进行直接对比。

Miller-Jones教授强调，理论普遍认为，不论黑洞质量大小，其附近的物理过程在本质上高度相似，从恒星级黑洞到超大质量黑洞皆然。 因此，本次对“天鹅座X-1”喷流功率的精确测定，为理解不同尺度黑洞喷流提供了一个重要“锚点”，可用来校准质量是太阳10倍到一千万倍级别的各类黑洞喷流模型。

随着正在澳大利亚西部和南非建设的平方公里阵列射电望远镜等新一代大科学装置投入运行，天文学家预计将探测到来自数百万个遥远星系的黑洞喷流信号。 研究团队表示，有了这一次对“天鹅座X-1”的标杆性测量，未来在统计和解释这些庞大样本的整体能量输出时，将能更准确地评估黑洞对宿主星系气体、恒星形成乃至大尺度宇宙结构的反馈作用。

研究指出，黑洞喷流是改变周围环境、塑造星系演化的关键物理机制之一，它们可以把能量和物质注入星系际空间，抑制或触发新一代恒星形成，从而在宇宙历史中扮演“调节器”的角色。 本次利用“跳舞的喷流”进行的功率测量，为这一宏观图景增加了坚实的观测基准，有望推动人类对黑洞及其喷流在宇宙演化中核心地位的进一步理解。