天文学家探测到迄今为止最长黑洞喷流，总长度达 2300 万光年，什么是黑洞喷流？对周边星系有何影响？

老规矩，先贴一下文章的信息和链接，文章是OA的，链接在文章最后的注释。

Oei, M., Hardcastle, M., Timmerman, R., Gast, A., Botteon, A., Rodriguez, A., et al., 2024, Black hole jets on the scale of the Cosmic Web^[1].

大家可能会好奇，黑洞不是引力强大到连光都无法逃离嘛，怎么还会有物质从黑洞喷出来？

其实，这个黑洞喷流并不是从黑洞内部逃逸出来的物质，而是源自黑洞视界外的物理过程。

展开说...

我们先看黑洞的定义，黑洞的大小是由事件视界来决定的，这个视界标志着光线和所有物质无法逃离黑洞引力的地区。

事件视界是一个球面或球壳，位于黑洞周围，其半径称为Schwarzschild半径，这个半径的定义是当物体距离黑洞中心的距离等于Schwarzschild半径时，物体的逃逸速度等于光速。在这个半径以内，光线和所有物质都无法逃离黑洞的引力，即使是以光速也无法摆脱。

下图描述了黑洞喷流的一个过程，当右边的一个星体被黑洞强大的引力捕获后，会被逐渐撕裂，然后撕裂后的物质流就会绕着黑洞旋转，形成一个高速旋转的吸积盘。吸积盘中的物质在螺旋向黑洞坠落的过程中会因摩擦力和潮汐效应而升温，达到极高的温度，产生强烈的X射线和其他辐射。

吸积盘中的物质会形成热电子冕，这些高速旋转的带电粒子会在黑洞周围形成强大的磁场。这个磁场会沿着黑洞的旋转轴线形成准直的磁力线。这些磁力线会像“喷管”一样，将吸积盘中的一些高能物质沿着黑洞两极高速喷射出去，形成喷流。

喷流的方向如下图所示，即：喷流不是从黑洞内部逃逸，而是沿着黑洞的两极方向发射的。这些物质被强大的磁场加速，喷射速度接近光速。

需要明白的是，这些喷流物质从来没有进入黑洞的事件视界（就是黑洞的边界）。一旦物质进入事件视界，它就会被黑洞吞噬，再也无法逃逸，也不会参与喷流的形成。喷流是发生在黑洞视界外的一种现象。

虽然，这些喷流物质没有进入黑洞，但是我们依然称其为黑洞喷流，是因为喷流从吸积盘发射，并且喷流非常明亮，所以，从地球上观察时，看到这些喷流好像直接从黑洞中射出，实际上它们是发生在事件视界外的。哦对了，观察喷流的设备是射电望远镜，比如文中的低频阵列射电望远镜LOFAR。

此次发现的黑洞喷流，长度达到2300万光年，是迄今为止探测到的最长黑洞喷流，并且命名为“Porphyrion”。此次的黑洞喷流观测结果如下图，图中显示的坐标轴分别是天体的赤经（Right Ascension）和赤纬（Declination），这是天文学上常用的坐标系，用于定位天空中的天体，图中不同的颜色代表不同的辐射强度。

左右两图分别是两个不同波长的深度射电图像，波长分别为λ = 2.08米（左图）和λ = 0.46米（右图），大家可以理解成两个是同一位置的不同分辨率的观测结果，更短的波长使可以捕捉到更细致的射电结构。

图中显示此次喷流的长度是7Mpc（百万秒差距），1 秒差距 约等于 3.26 光年，什么概念呢？大约相当于140个银河系首尾相连的长度，所以可以想象这个喷流有多大。

从上面的观测结果可以看到，Porphyrion喷流主要聚焦于其南部宿主星系，放大结果显示如下图，色标显示此位置的射电辐射明显增强，而且，其射电辐射清晰地延展到北东北方向，证实了这一方向上存在黑洞喷流的延展特征。

至于影响，如此大尺度的黑洞喷流，首先会直接影响其周围行星系统的宜居性，也会阻止周边行星上生命的形成，还会直接影响周围星系团及星系的演化，比如黑洞喷流能够加热星际空间的气体，从而阻止冷气体云凝结成新恒星等等。

最后贴一个黑洞喷流的艺术效果图，酷酷的～

好了，写到这里，欢迎留言讨论。

评论区 @米胖 提到了“这个黑洞有多大？”

上文中我们提到了事件视界，这个视界标志着光线和所有物质无法逃离黑洞引力的地区。根据逃逸速度的定义：

G 是引力常数, M 是黑洞的质量, r 是物体到黑洞中心的距离。

事件视界是由 (c 是光速)来定义的。假定 是黑洞的平均密度。有下式：

(约等号后的常系数忽略)

所以，根据黑洞的密度就可以推到出黑洞的大小，反之根据黑洞的观测大小也能反推密度。另外，值得一提的是，黑洞形成的关键在于质量，它也可以非常大，密度很小，也可以密度很大。因为可以通过增加相同密度的质量来增加半径，最终形成黑洞。即是密度低，只要一直增加半径，最终都会形成黑洞。这就是为什么会有非常高密度的小黑洞，也有密度类似水的大黑洞，甚至有密度小于空气的黑洞（这里说的都是平均密度）。

但是，值得注意的是，尽管大黑洞的质量更大，但小黑洞的表面引力却更强。小黑洞的加速度梯度也更高，产生更大的潮汐力。相比之下，大型黑洞引力较小，因为它们的斜率较缓，但它们依然能够吸引光线。

评论区 @山顶拟诗 想知道“这个黑洞的Schwarzschild半径是多少”

Schwarzschild半径 计算公式如下：

G是引力常数，为 ，c是光速，约为3 × 10^8 m/s，M是天体的质量。

解释下这个公式：当一个天体的质量集中在一个足够小的半径内，小到低于Schwarzschild半径，就形成了一个黑洞。Schwarzschild半径表示了在这个半径内，引力大到光也无法逃逸，因此形成了Event Horizon，这个horizon标志着黑洞的边界。

换句话说：Schwarzschild半径的定义是当物体距离黑洞中心的距离等于Schwarzschild半径时，物体的逃逸速度等于光速。在这个半径以内，光线和所有物质都无法逃离黑洞的引力，即使是以光速也无法摆脱。

所以，把黑洞的质量代入，就可以求得对应的 。

但是文章里并没有提到黑洞的质量，只是提到了：在喷流活动期间，黑洞获得了质量增量。

通常计算黑洞的质量可以通过吸积盘辐射，引力透镜效应来计算，如果有了这个质量，就可以根据上式计算Schwarzschild半径。

评论区 @看一眼 提到了黑洞造成的时空扭曲 导致观测距离更远。但是有趣的是：虽然黑洞引力很大，但是光本身没有质量，为什么还会收到引力影响而改变路径呢？

牛顿最早提出万有引力，即两个物体之间的吸引力与它们质量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比。或者简单来说：物体吸引物体。光没有质量，按照万有引力，就不会被吸引，而应该直线传播啊。

这时候就要讨论广义相对论了。爱因斯坦提出，重力不是两个物体之间的吸引力，而是时空的组织结构的变形。

我来用一个经典的例子解释一下：假设有一块网格，你往上放置了一个球，网格会弯曲，使得位于网格内的其他物体会朝着你最初放置的弹珠运动。因此，黑洞会扭曲时空，导致黑洞周围的所有物体的轨迹都受到影响。

所以，光线是直线传播的，这个没错。但是当它穿越的时空是弯曲的（产生了引力）时候，光的轨迹也就弯曲了。换句话说，光线是在连续的时空组织中沿着直线传播的，由于黑洞或者另一个天体的存在，时空产生了弯曲，所以跟着弯曲。