科學家實時測量 Cygnus X-1 黑洞噴流 近光速一半 能量相當 1 萬個太陽

黑洞以吞噬周圍一切物體聞名，但其中一些黑洞亦會噴射出龐大能量射流，這些射流以近光速穿越太空。這些射流威力強大，能加熱氣體、引發湍流，甚至影響銀河系的演化。「射流為吸積黑洞向環境提供動能反饋的重要通道，若無此機制，宇宙大尺度結構形成的模型便無法重現觀測到的銀河特性，」一項新研究指出。然而，儘管數十年研究，科學家仍難以確定這些射流在任一時刻的威力。至今，天文學家只能透過射流在太空留下的巨型痕跡（橫跨數千年）來判斷黑洞射流，這有點像透過研究舊輪胎痕跡來理解引擎，而非即時觀察機器運作。

現時，一支國際團隊研究著名黑洞系統 Cygnus X-1，取得前所未有突破——他們直接測量了黑洞射流即時運作中的功率。結果顯示，射流攜帶相當於約 10,000 個太陽的能量，移動速度接近光速的一半，提供黑洞如何向宇宙回饋能量的最清晰視野之一。

黑洞對抗恆星風的過程

此突破源於一種不尋常策略，透過觀察射流與周圍環境的互動，而非直接測量射流。研究作者分析了透過全球望遠鏡網絡收集的 18 年高解析度無線電觀測數據。他們的目標是 Cygnus X-1，這是已知最著名的黑洞系統之一，距離地球約 7,200 光年。該系統包含一顆黑洞及一顆質量巨大的藍超巨星，兩者互相環繞。該恆星透過強烈恆星風持續釋放氣體，黑洞則以引力吸入部分物質。

「風的衝擊可將射流偏離伴星，」研究作者表示。氣體螺旋內落時變得極熱且充滿能量，其中部分能量未落入黑洞，而是以兩個相反方向的窄射流向外噴射。 這些射流是研究的關鍵。研究人員察覺伴星的強大風力在太空推擠並彎曲射流。團隊指出，射流在恆星風力下看似「舞蹈」。「射流的整體軌跡由風動量通量與射流動量通量的相對強度決定，」研究作者註明。透過仔細測量射流的彎曲程度，並結合電腦模擬，科學家計算射流抵抗風壓所需的力，從而首次估計其真實即時功率。

數據驚人：射流以約 3.55 億英里每小時（5.4 億公里每小時）移動，接近光速的一半。計算亦顯示，約 10% 的物質落向黑洞時釋放能量，被轉向射流。此發現重要，因為它揭示黑洞多有效率地將內落物質轉化為強大能量外流。 此研究改變科學家對黑洞及其塑造宇宙角色的看法。黑洞常被視為宇宙吸塵器，但如 Cygnus X-1 等系統顯示，它們亦可如巨型能量引擎般運作。在更大尺度，超大質量黑洞的類似射流可加熱周圍氣體、產生衝擊波、引發湍流，甚至影響整個銀河的恆星形成。

多年來，科學家缺乏可靠即時測量射流功率的方法。先前方法依賴研究射流橫跨數千年留下的殘跡。「迄今測量射流功率的金標準依賴量熱法，」研究作者指出，但這些技術僅提供長期平均值，而非即時測量。透過追蹤 Cygnus X-1 中恆星風彎曲射流的新方法，天文學家可即時測量射流功率。 不過，此工作有局限。團隊僅考察一個雙星系統，故科學家尚未知其他黑洞是否具相似能量效率。研究人員現計劃將此技術應用於更多系統，或許最終揭示黑洞如何即時向宇宙注入能量。

該研究刊登於《Nature Astronomy》期刊。