黑洞喷流也能弯曲90度？原因竟然是它！

　文章来源于Nature Portfolio

　　原文作者：Joydeep Bagchi

　　磁场对星系团的大尺度影响一直不甚明确。MeerKAT射电望远镜拍摄到的图像表明，这种磁场可以使星系团中大质量黑洞喷出的粒子喷流弯曲。

　　特大质量黑洞（supermassive black hole，SMBH）的重量是太阳的数百万倍乃至数亿倍，它们潜伏在几乎所有大质量星系的中心。在我们的宇宙邻居中，大多数这些星系的SMBH都处于非活跃状态。但是，也有一些星系的SMBH非常活跃——随着物质在引力作用下落入这些黑洞，它们能够释放出覆盖整个电磁波谱的巨大能量[1-3]。活跃SMBH的一些壮观表现包括射电星系——射电星系会喷射两束能量极高、高度准直、能产生射电波的物质喷流。这些射电喷流被认为是由磁场产生、聚焦和成形的[4-6]，但证明该过程的直接证据非常有限（详见go.nature.com/3xvingm）。现在，Chibueze等人在《自然》发表的一篇论文[7]报道了对这种射电喷流与星系团磁场之间相互作用的观测结果。

　　在射电星系中，许多能观测到的辐射都是由该星系的SMBH附近射出的接近光速的电子产生的。周围气体的磁场使这些电子做圆周运动，并在此过程中发出射电波。这些磁场同时也可以使这些电子聚集在一起，聚焦成两束很窄的喷流。如果不受干扰（比如在星系团之外），这些射电喷流在耗散前通常会喷出数十万秒差距（1秒差距约等于3光年）。在极少数情况下，这些喷流甚至能喷出数百万秒差距[8]——相当于银河系直径的100倍左右。因此，这些喷流可作为其宿主星系附近环境的超灵敏探测器。

　　Chibueze和同事利用位于南非的MeerKAT射电望远镜获得了位于艾贝尔（Abell） 3376星系团的MRC 0600 399射电星系（及其一个近邻射电星系）的高分辨图像。MeerKAT由64个天线组成，是世界上最灵敏的射电望远镜之一。和之前的观测结果一致[9]，新获得的图像显示，MRC 0600 399星系的射电喷流被严重弯曲至将近90°（图1）。作者还揭示了喷流偏折点两侧的漫射电辐射区域，并将其称为双镰刀结构。作者使用最先进的计算机模拟技术表明，假设喷流以超声速速度喷出，并撞到了一个它无法穿透的强有序磁场的弯曲层，那么喷流拐弯和双镰刀结构就可以解释了。

　　图1 | 射电喷流和磁场的相互作用。Chibueze等人[7]利用MeerKAT射电望远镜观测了位于Abell 3376星系团的MRC 0600 399星系（及其邻近星系）。这两个星系会产生射电喷流——这是一种能量极高、会产生射电波的物质喷流。MeerKAT的观测图像显示MRC 0600 399星系的喷流被弯曲至将近90°，图像还显示了喷流偏折点左右两侧的漫射电辐射区域（图中紫色），被称为双镰刀结构。MRC 0600 399和其近邻星系被包裹在冷气云团中。作者提出，这个冷气云正在高速运动，而星系团中热气体产生的压力使强有序磁场围绕在冷气云周围。他们认为喷流弯曲和双镰刀结构是由于喷流与该强磁层发生了相互作用而产生的。（概念来自町田真美（Mami Machida），日本国立天文台。）

　　这个强磁层的起源与尚未结束的星系团形成过程有关。对星系团Abell 3376的射电和X射线观测发现了一对巨弧，揭示了星系团外围强激波作用下的带电粒子产生的射电辐射[9]（参见论文7的图1a）。这些激波是由物质（包含星系和冷气体）在引力作用下落入该星系团并通过剧烈碰撞与并合释放能量而引起的。

　　Abell 3376的X射线图像显示有一个非常奇怪、类似彗星的结构，该结构由一个冷气云团和一个很长的气尾组成，其中，冷气云包裹着MRC 0600 399及其邻近的射电星系[9]（见论文7的图1a）。Chibueze等人提出，这个冷气云以超声速的速度从Abell 3376的中心喷出，而星系团中的热气体对快速移动的冷气云构成了压力，导致了气尾的产生。他们还认为，这种压力会导致前面提到的强磁层围绕在冷气云的边界，这也被称为冷锋[10]（图1）。没有磁层的保护，冷气云很快就会蒸发，冷锋也就不会形成[11，12]。

　　如果作者的解释是正确的，那将会是一个重大发现，因为它暗示着在诸如Abell 3376之类的高度混乱的星系团环境中存在着相对较强的有序磁场（强度几十微高斯）。作为对比，之前在混乱程度不及Abell 3376的星系团中心的气体中探测到过相对较弱的磁场（几微高斯）[13]。目前，事实证明要探测和测量星系团中以及星系间的磁场仍极具挑战性，并且宇宙磁场的起源也依然是个谜。因此，在星系团环境中对这种磁场的任何观测证据都弥足珍贵。

　　然而，对于弯曲喷流还有一种合理解释，这种解释也被称为弹弓模型（slingshot model）。就本文的例子而言，MRC 0600-399及其近邻射电星系以超声速从Abell 3376星系中心射出后，又落向了该星系的中心。MRC 0600 399的射电喷流之所以会弯曲，单纯是因为气态风压力的作用方向与星系运动方向相反。尽管此备择模型可以解释喷流弯曲的现象，但它不能解释非常罕见的双镰刀结构，这种结构提示，喷流正在与一个强有序磁场层相互作用。当前研究的一个局限性是喷流相互作用区域中的磁场强度不是直接测量的，而是来自数值模拟。

　　Chibueze和同事的发现最激动人心之处在于，在星系中心观测到的SMBH射电喷流可能有助于解释星系团形成过程中涉及气体动力学的过程——目前我们对此知之甚少。对射电波偏振的高灵敏测量或能证实磁场边界层中磁场的强度和有序性。此外，发现其他严重弯曲的射电喷流还能用来测量SMBH向喷流注入的总能量，了解磁场在喷流稳定性中的作用，并确定星系团内部气体的磁场强度。在接下来的几年中，这台有史以来最灵敏的射电望远镜还将揭示宇宙中诸多壮观景象，而这些都是光学仪器所无法看到的。

　　参考文献：

　　1。 Lynden-Bell， D。 Nature 223， 690–694 （1969）。

　　2。 Sotan， A。 Mon。 Not。 R。Astron。 Soc。 200， 115–122 （1982）。

　　3。 Begelman， M。 C。， Blandford， R。 D。 & Rees， M。 J。 Rev。 Mod。 Phys。 56， 255–351 （1984）。

　　4。 Blandford， R。 D。 & Znajek， R。 L。 Mon。 Not。 R。 Astron。 Soc。 179， 433–456 （1977）。

　　5。 Gabuzda， D。 Galaxies 7， 5 （2018）。

　　6。 Meier， D。 L。， Koide， S。 & Uchida， Y。 Science 291， 84–92 （2001）。

　　7。 Chibueze， J。 O。 et al。 Nature 593， 47–50 （2021）。

　　8。 Dabhade， P。 et al。 Astron。 Astrophys。 635， A5 （2020）。

　　9。 Bagchi， J。， Durret， F。， Lima Neto， G。 B。 & Paul， S。 Science 314， 791–794 （2006）。

　　10。 Markevitch， M。 & Vikhlinin， A。 Phys。 Rep。443， 1–53 （2007）。

　　11。 Dursi， L。 J。 & Pfrommer， C。 Astrophys。 J。 677， 993–1018 （2008）。

　　12。 Lyutikov， M。 Mon。 Not。 R。 Astron。 Soc。 373， 73–78 （2006）。

　　13。 Carilli， C。 L。 & Taylor， G。 B。 Annu。 Rev。 Astron。 Astrophys。 40， 319–348 （2002）。

　　© nature

　　doi： 10.1038/d41586-021-01171-z

关键词 : 黑洞射电望远镜