有史以来最大喷流：长度超过100个银河系！原初黑洞穿越太阳系？！（文字版）

Linvo说宇宙

2024-10-28 17:00发布于天津科普领域创作者

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1、天文学家发现超长喷流
2024年9月，一篇发表于《自然》杂志的文章中，来自加州理工的研究团队借助低频射电望远镜阵列（LOFAR）发现了人类有史以来见过的最大喷流。有多大呢？总长度达到了2300万光年，相当于一百多个银河系并排站着，甚至比包括仙女座星系在内的整个本星系群还要大。面对这样一头宇宙巨兽，研究团队借用希腊神话中的巨人名字称呼它为“波尔费里翁（Porphyrion）”。

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通常来说，这种巨型喷流一般来源于活跃星系的中心，也就是常说的活动星系核（AGN）。这种星系中心存在着一个超大质量黑洞，当该黑洞疯狂进食时，它的吸积盘以及磁场会使得黑洞周围的物质以高能粒子的方式从两极喷射而出，形成喷流（Jet）。这种喷流不但速度非常快，甚至接近光速（相对论性喷流），同时喷射距离也相当长，一般可以达到几千甚至几十万光年。不过能达到百万光年的就很少见了，而像今天说的这种上千万光年的更是极为罕见。
虽然长度惊人，但该喷流的重点还不在这，它最让人意外的地方在于：该喷流的方向几乎是笔直的。
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你可能会有疑问：“喷流不就应该是直的吗？”
其实不然，宇宙空间并非绝对的真空，尤其是在大尺度下，宇宙中经常会遇到能够改变喷流方向的东西，比如高密度的星际云、星际风，甚至是黑洞本身的运动和磁场环境都会对喷流的准直性造成影响。这就像一根钢筋，无论它再坚硬，当它足够长时就会很容易产生形变。可以说，自然界中的天然直线非常罕见，尤其是在宇宙尺度。
而且更让人想不通的是，该喷流距离我们非常遥远。由于光速限制，该喷流发出的光到达地球需要经历数十亿年。这意味着，我们看到的它其实是大爆炸后60亿年左右的样子。那时的宇宙还远没有膨胀到今天这个规模，当时宇宙中的星系之间都还挨得比较近，整个宇宙网处于非常紧密的阶段。在这种环境下，让一条喷流笔直地从宇宙网中穿过而不受影响，可想而知有多困难。
如果喷流是刚形成的还好说，可能各种因素一时半会还没展现出影响。但是据科学家推算，该喷流我们看到时，它已经持续喷发了将近20亿年。一个喷流在长达20亿年里竟然如此稳定且没有受到什么明显的干扰，这实在有点匪夷所思。
再退一步说，就算是种种巧合，喷流所及之处正好全都位于宇宙网的空隙处，那对于一个能够持续喷射20亿年的喷流来说，这个中心黑洞势必有着充足的食物来源。而这说明该星系很可能在吞并其他星系，不然它很难维持自己的食物供给。但是这样的话问题又回来了：它是如何在这种环境中保持姿态稳定的呢？
总之，目前关于该喷流如此笔直的原因仍然不得而知，后续研究人员会通过更多频段的光谱以及磁场情况来寻找其中的缘由。另外，鉴于目前的天文观测只覆盖了大约15%的天区，因此这次的发现可能也只是“冰山一角”，宇宙中类似规模（甚至是更大规模）的喷流仍有待我们去发现。
2、原初黑洞穿越太阳系
暗物质相信大家多少都有了解，它是一种尚未发现但又可以通过引力效应察觉到的未知物质。许多人（尤其是粒子物理学家），他们通常认为暗物质应该是由某种标准模型之外的未知粒子构成的。但是迄今为止，实验中我们从未发现过这种未知的新粒子。因此科学家们也在积极探索其他关于暗物质的解释，比如原初黑洞。
所谓原初黑洞，它是一种诞生于大爆炸初期，不经过恒星坍缩由其他原因形成的黑洞。比如在宇宙尚未大规模膨胀前，此时物质的密度非常高，当某种随机扰动让某处的物质密度突破临界值后，这里的物质就会在自身引力作用下坍缩成一个黑洞。
由于没有了恒星这个限制，这种黑洞理论上没有质量限制，它们大的可以非常大（甚至直接形成一个星系中心那种超大质量黑洞），而小的则可以非常小，小到只有一颗小行星的质量，个头可能仅有一个原子大小。当然，也有可能产生更小的，只是当质量低于霍金蒸发极限时，这种黑洞因为霍金辐射就无法存活至今了。
对于原子大小的微型黑洞，我们几乎无法探测到它们。虽然一个这样的微型黑洞我们无法察觉，但是假如数量足够多的话，那结果就另说了。毕竟，它们每一个都至少拥有一颗小行星的质量。所以呢，积少成多，对于足够多的微型黑洞来说，它们共同产生的引力效应就很可观了。这恰巧符合暗物质的特点：单个看，啥都看不见，但是整体看，它们的引力却能感觉到。
此前确实有研究表明，宇宙中的部分暗物质可能正是由这种存活至今的微型原初黑洞构成。假如现实真的如此，那意味着大量的微型黑洞其实一直游荡在宇宙中，包括我们的太阳系。还记得之前曾做过一期，说是太阳内部或许就存在着这样一个原初黑洞。而前不久（2024年9月），又有科学家基于计算机模拟得到一个结果：假定真的存在这种原初黑洞的话，我们地球周围的内太阳系至少每十年就会有一个原初黑洞从中穿过。

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这项研究起初来源于研究人员们的一个脑洞：就是假如一颗微型黑洞撞击了地球，或者是某个人被一颗微型黑洞击中了，那会发生什么？
然而这些想法最终都绕不开一个问题，就是它发生的概率实在太小了。宇宙的空旷远超你的想象，任何一个天体放到宇宙尺度上，那都是一个小到不能再小，根本看不见的点。所以要想让这个概率变得有意义，那就必须扩大目标范围，比如扩大到整个行星系统。这样一来也有个好处，就是如果真的有小黑洞从中穿过的话，我们或许可以通过行星轨道的细微变化而有所察觉。
最终，研究人员将目标限定在了内太阳系，也就是水金地火这几个岩质行星附近。经过计算他们发现，如果这种原初黑洞真的存在，那么至少每十年就会有一颗从我们这里穿过。
不过需要说明的是，该研究仅仅是简单的计算机模拟，并非基于真实轨道数据进行的分析。考虑到微型黑洞产生的引力非常有限，所以即使它们真的存在，那对大行星轨道的影响也非常有限，因此这项研究对轨道数据的精度要求非常高。目前研究团队正在考虑与巴黎天文台的太阳系模拟小组合作，一起来对真实的轨道数据进行分析，尤其是那些个头更小的天体，比如小行星和彗星。
然而这种通过引力效应寻找原初黑洞的方法有个弊端，就是它很难区分该引力是由一个微型黑洞产生的，还是一个具有类似质量但没被我们发现的小天体产生的。毕竟，现实中很多小行星（甚至可以说绝大部分小行星）由于各种原因，我们都无法观测到。所以，一颗未知小行星和一个原子大小的黑洞对我们来说没有区别。
不过前不久，《美国天文学会研究简报》上的一篇文章中，来自哈佛大学的天体物理学家阿维·洛布（Avl Loeb）提出了一个办法，就是借助LIGO这样的引力波探测器或许可以对飞掠地球附近的微型黑洞进行探测。

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这个洛布非常善于开脑洞，之前他就强烈认为奥陌陌可能就是一艘外星飞船，甚至为此他还专门写了本书。

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不过他的方法仍然存在很大局限性，因为它需要一些苛刻的前提条件：比如这个微型黑洞需要运动得非常快（例如接近光速）；并且它还需要距离探测器非常近，最多不超过地球的半径（也就是6300多公里），只有这样它产生的引力波信号才能被目前的探测器探测到。很显然，截至目前我们并没有发现这类事件。
所以原初黑洞到底存不存在？它们是不是真的经常穿越太阳系？未来随着探测设备的不断升级，相信这些疑团终将会迎来解开的那一天。

[1] Oei, M.S.S.L., Hardcastle, M.J., Timmerman, R. et al. Black hole jets on the scale of the cosmic web. Nature 633, 537–541 (2024).

[2] Tung X. Tran, Sarah R. Geller, Benjamin V. Lehmann, and David I. Kaiser. Close encounters of the primordial kind: A new observable for primordial black holes as dark matter. Phys. Rev. D. 110(6) (2024)

[3] Abraham Loeb. LIGO-Virgo-KAGRA Limit on Relativistic Interstellar Objects near Earth. Research Notes of the AAS. 8(8):214 (2024)

[4] Valentin Thoss, Andreas Burkert. Primordial Black Holes in the Solar System. arXiv preprint arXiv:2409.04518. (2024)

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