黑洞如何产生了明亮的光？

耀变体是一类特殊的活动星系核：其星系中心被认为存在超大质量的黑洞；它向地球方向喷射着接近光速飞行的磁化等离子体流——耀变体喷流（blazar jets），后者被认为是整个宇宙中最强的粒子加速器之一；其闪耀的光可高达1000亿个太阳的亮度。

大多数来自耀变体的光，都是由其喷流中能量最高可达1TeV（10^12eV)的高能粒子产生。尽管人们已经知道，其喷流的能量最终来自星系中心的超大质量黑洞，但其粒子是如何被加速到如此高的能量，一直是个谜。

通过对其X射线波段偏振情况的观测、研究，科学家们试图揭开上述粒子加速机制之谜。

11月24日凌晨，国际学术期刊《自然》（Nature）在线发表的一篇论文，根据对耀变体马卡良501（Mrk501）在2022年3月初和3月底两次观测的结果，给出了推测：超大质量黑洞喷射的超快粒子流产生的辐射表明，这些粒子是被喷流向外传播的激波加速的。

这一发现，或将有助于人们更多地理解黑洞系统的高能辐射过程。

论文的通讯作者是芬兰图尔库大学、欧洲南方天文台 (ESO)芬兰天文中心的扬尼斯·利奥达基斯（Ioannis Liodakis）。包括广西大学物理科学与工程技术学院、广西相对论天体物理重点实验室副教授谢斐在内，该论文的署名作者一共达124位。

黑洞被认为是宇宙中最极端的超级天体。它贪婪地吞噬着周围几乎所有的东西，难以被直接观测到。上述研究结果展示了如何使用不同偏振测量方法探测超大质量黑洞系统的状况。

11月23日，未参与上述研究的上海交通大学物理与天文学院长聘教轨副教授、李政道研究所天文与天体物理研究部李政道学者水野阳介（Yosuke Mizuno）告诉澎湃新闻（），X射线偏振其实很难检测。但专门用于观测X射线偏振情况的新卫星X射线成像偏振探测器（IXPE），能够对X射线的线性偏振和偏振角进行非常精确地测量。上述论文展示了非常有趣的结果：耀变体马卡良501（Mrk501）的相对论喷流在X射线波段的线偏振在10%左右，比其光学波段的值高2倍。这一结果暗示了其相对论喷流中的粒子加速机制。

据澎湃新闻此前报道，2021年12月9日，SpaceX猎鹰9号火箭在佛罗里达州肯尼迪航天中心为美国国家航空航天局（NASA）发射了X射线成像偏振探测器（IXPE）。该探测器会对入射的X射线成像，并测量偏振参数。IXPE首席研究员Martin Weisskopf称，“IXPE将告诉我们更多关于宇宙X射线源的精确性质，而不是仅通过研究它们的亮度和光谱来了解它们。”X射线是一种高能光，其波长非常短，由于地球大气层的阻挡，来自宇宙天体的X射线只能通过太空望远镜来观测。

水野阳介向澎湃新闻进一步解释说，耀变体的相对论喷流是从黑洞附近以相对论速度（接近光速的速度）发射出的准直等离子体流。它由完全电离的气体组成，但其具体成分目前仍未确定，人们在争论它是电子-离子，还是电子-正电子。

水野阳介表示，在相对论喷流中，可见光和X射线都来自同一个辐射过程——同步辐射。它是粒子被加速后的非热辐射过程。通过比较不同频率之间的偏振度，人们可以探究其发射位点和粒子加速机制。而偏振跟发射点的局部磁场结构有关。如果其磁场是有序的，那么偏振度会变得更高。如果磁场强烈缠结（湍流），那么偏振度会变小。

IXPE正在观测马卡良501耀变体。喷流中的高能粒子（蓝色）撞上冲击波（激波，白色）时，粒子会带上能量，并在加速时发出X射线。图片来自Pablo Garcia（NASA马歇尔太空飞行中心）

喷流中的粒子为什么会被激波加速？

水野阳介表示，物质和能量的间歇注入，给喷流的基部（喷流形成部位）带来了扰动。扰动在喷流下游传播过程中，它变成激波，随后成为平流。粒子是通过所谓的费米加速机制被加速，即粒子与振荡的“墙壁”碰撞而加速：因磁镜效应，带电粒子在激波之间被反复反射而被加速。

水野阳介说，考虑一下带电粒子穿过激波的情景。如果它在移动变化的磁场中被碰撞，它会以更大的速度被反射回来，比如从下游到上游。这样多次的反射大大增加了其能量。

“宇宙两千亿个星系中绝大部分星系的中心都存在着巨大的黑洞——10亿个太阳那么大的黑洞。很多在休眠，但一些在生长。”美国耶鲁大学天文学系、美国宇航局爱因斯坦博士后研究员莉亚·马尔科图莉（Lea Marcotulli）发表评论，上述最新发表的论文中的结果是人们理解耀变体的一个转折点，“现在，X射线偏振使我们能够研究数个此类喷流，来理解这类激波是否常见于所有来源。”

此外，她写道，耀变体喷流（blazar jets）是整个宇宙中最强的粒子加速器之一，提供了一种无法在地球上实现的“实验室”。

除了喷流中的粒子加速机制问题，水野阳介感兴趣的另一问题是“喷流发射位置的磁场情况”。

中国学者也在耀变体研究领域不断取得新成果。

据中国科学院官网消息，2020年1月3日，国际天体物理学杂志The Astrophysical Journal 在线发表了中国科学院云南天文台博士研究生封海成、研究员刘洪涛与合作者的研究成果。该研究依托丽江天文观测站2.4米望远镜，通过观测耀变体准同时性光谱变化及测光光变，开展了耀变体光变与颜色变化的相关性研究。光谱和测光观测都发现了变亮变蓝（BWB）现象，并且颜色与亮度、颜色变化率与亮度变化率之间强相关，颜色变化比亮度变化超前。这些新发现可以使人们更好地理解耀变体中的辐射机制及光变机制。

中国科学院上海天文台官网2018年11月3日发布消息称，有一类超大质量黑洞正处于活跃状态，吞噬着周围的物质，形成一个腰带（吸积盘），发出明亮的光，这类超大质量黑洞被称作活动星系核。研究表明，它们当中有10%会在近乎垂直于腰带的方向喷出物质和能量，喷出的速度接近光速。当喷流方向是朝向我们时，由于相对论效应，喷流出的光通常比整个星系还要强，这类活动星系核被称为耀变体。中国科学院上海天文台由王仲翔研究员领导的研究团组，发现了一个编号为PKS 的耀变体发出的伽马射线辐射在规律性地变亮变暗，每一个多月变化一次。这是当时为止费米卫星观测到的唯一一次周期为月级的准周期振荡事例。其论文被国际学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）接收、发表。

暗物质，时间的本质，外星人和超大质量的黑洞：这七件事将在未来几年里困扰着天文学家。

最初，按照宇宙学的标准图景，是“通货膨胀真空”。它具有超高的能量密度和排斥力，使其膨胀。越多，斥力越大，扩张越快。

为什么每个星系的心脏都有一个巨大的黑洞？

在我们的宇宙中，大约有2万亿个星系，据我们所知，几乎每个星系都包含一个中央超大质量黑洞。它们的大小不等，其重量约为太阳质量的500亿倍，而银河系核心的太阳质量小提琴手射手座A *为430万（太阳质量等于太阳的质量） 。但是他们如何到达那里是宇宙学未解之谜之一。

我们知道，在恒星爆炸的超新星爆炸中会形成恒星黑洞。但是没人知道超大质量黑洞是如何形成的。

在大多数宇宙历史中，星系的中心一直是许多物质被限制在很小体积内的地方。可能的情况是，恒星团中形成的超大质量黑洞是由反复相互融合的恒星黑洞形成的。

初步的证据来自两个黑洞的合并，这两个黑洞通过检测引力波而揭示。一个洞太大了，无法成为超新星遗迹，因此可能起源于早期的合并。

形成超大质量黑洞的另一种方法是从密集的气体云中直接收缩。它们可能是由云崩溃和黑洞合并组成的。

在大爆炸中也可能形成超大质量的黑洞。这将为宇宙鸡和鸡蛋的问题提供一个新颖的答案：哪个先出现-星系还是超大质量黑洞？不是先形成星系然后生成此类怪物，而是先形成超大质量黑洞，并提供围绕其形成恒星星系的种子。

尽管有巨大的质量，即使最大的超大质量黑洞也几乎不比太阳系大。然而，它们却通过相反方向的超快速物质射流将能量投射到了数百万光年。在银河的内部区域，这样的喷气机速度很快，它们驱赶了气体并消灭了恒星形成。它们在外部区域变慢的地方压缩气体并触发恒星形成。

实际上，来自最大孔的强大喷流似乎控制着形成的恒星的质量，并趋向于像我们的太阳那样较小，温度较低的恒星。因此，谁知道呢，我们可能要感谢射手座A *的太阳，否则，您可能不会阅读此页面。

暗物质不会发出光或发出的光太少，我们无法检测到。我们知道它的存在是因为我们看到了它的引力对可见恒星和星系的影响。例如，自从大爆炸以来，银河系不可能在138.2亿年的时间里拖入足够多的物质使其成为恒星，而没有大量的看不见的物质，它们的超重力加速了事物的发展。

在欧洲航天局的普朗克卫星发现，暗物质占了26.8％的宇宙质能与4.5％的较正常的百分之‘原子’的事情。因此，它比可见的恒星和星系大六倍。

长期以来，暗物质粒子的首选候选对象一直是弱相互作用质量粒子或WIMP。但是，尽管这些粒子符合要求，但它们并未出现在瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机上。赢得宠爱的候选人是超轻“轴”，这是一种假设的亚原子粒子。一个大局外人仍然是大爆炸留下的原始黑洞。

令人费解的是，尽管进行了数十年的搜寻，但没有任何基于地球的实验能找到暗物质的任何证据。可以想象，不是我们的物质理论需要修改，而是我们的引力理论。或者说，暗物质不是由单个粒子构成的流体，而是复杂的，就像我们在周围看到的原子一样。也许宇宙充满了暗星，暗行星和暗生命！

时间是立即停止一切事情的原因，”美国物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）说。但是时间是一个湿滑的概念。我们认为我们所知道的大多数都是错误的。

例如，我们想象时间在流逝。但是，要使某物流动，它必须相对于其他物流动，就像一条河流相对于河岸流动一样。时间是否会相对于其他事物流动-第二种时间？这个想法似乎很荒谬。时间的流逝很可能是我们的大脑创造的一种幻觉，它通过我们的感官来组织不断涌入的信息。

我们也对共享过去，现在和未来充满强烈的意识。但是，在我们对现实的基本描述中，“相对的存在”是一个共同存在的想法。精确地划分别人的时间取决于他们相对于您移动的速度或他们承受的重力强度。

这些影响仅在接近光的相对速度或超强重力下才可见，这就是为什么它们在日常生活中不明显的原因。然而，它们导致一个人的时间间隔与另一个人的时间间隔不同，并且一个人的空间间隔与另一个人的时间间隔不同。

实际上，情况更糟。时间和空间密不可分。在我们的宇宙中，从大爆炸到宇宙灭亡的所有事件都被布置在预先存在的四维时空图中。实际上，没有任何东西会随着时间的推移而“移动”。

正如爱因斯坦在朋友米歇尔·贝索（Michele Besso）死后写的那样：“现在，他已经离开这个陌生的世界，在我身前。那没什么。像我们这样的人，相信物理学，知道过去，现在和未来之间的区别只是一种顽固的持久幻想。”

如果想象宇宙的膨胀像倒影的电影一样向后跑，那么在最早的时刻，空间和时间都被撕裂了。因此，物理学家怀疑，在“大爆炸”时期是从更根本的事物中出现的。到目前为止，还没有人知道这可能是什么。

它是无形的，充满了所有空间，并且它的斥力正在加速宇宙的膨胀。天体物理学家在1998年发现了“暗能量”。他们正在研究1A型超新星-恒星爆炸被认为释放出一定量的能量，并以像100W宇宙灯泡那样的标准光度燃烧。

问题在于，最遥远的超新星比预期的要暗。宇宙扩张加快了速度，将它们推得更远。

当时，唯一被认为在大规模宇宙中起作用的力是重力，它像银河系之间的隐形网一样，起到了宇宙膨胀的作用。

发现空间的扩大加速了天黑的宇宙学家，他们被迫假定存在一种物质，该物质占宇宙惊人的三分之二。这种“暗能量”压倒了重力，并在五十亿年前获得了对宇宙的控制。

一种可能性是，暗能量是宇宙学常数，是空间的固有排斥力。这种排斥可能是由于真空中的量子能波动引起的。

但是，当将量子理论（我们对亚微观世界的最佳理论）应用于真空时，理论家预测能量密度为10，然后是暗能量的120，这是暗能量的最大差异：科学史。

可以想象，当我们最终设法将量子理论与爱因斯坦的引力理论结合起来时，这种差异将消失。同时，太空实验可能会有所帮助。2022年，欧洲航天局将发射Euclid，它将测量暗能量如何随宇宙时间变化，希望为解决科学最大难题提供重要线索。

为什么我们没有看到外星人的迹象？

1950年，建造第一座核反应堆的人恩里科·费米（Enrico Fermi）在新墨西哥州洛斯阿拉莫斯炸弹实验室的食堂里吃午餐，当时他突然说道：“每个人都在哪里？” 桌子周围的每个人都知道他的意思。

几十年后，费米的问题由美国物理学家迈克尔·哈特和弗兰克·蒂普勒独立研究。哈特（Hart）认为外星人散布在我们的银河系中，而蒂普勒（Tipler）认为是自我复制机，它们到达行星系统后会利用这些资源建造自己的两个副本，并继续航行。

两者得出的结论是，即使以适度的速度行进，银河系中的每颗恒星都将在银河系的一小部分被访问。正如费米意识到的那样，外星人应该在地球上。他们似乎不是。这成为“费米悖论”。

已经提出了数百种解释。其中包括这样的观念：我们是银河系中第一个出现的智力，因此完全是孤独的，而且我们是一个苗圃世界，禁止使用可能对我们的发展产生不利影响的先进文明。

一个更普遍的可能性是没有悖论，因为在遥远的过去，任何访问的迹象都会被风，雨和地质过程所消除。然而，最近，由纽约罗彻斯特大学的乔纳森·卡洛尔·内伦巴克博士领导的一个研究小组提出，我们的太阳可能只是被外星扩张浪潮所绕过。

仍然存在一个问题，尽管我们用望远镜搜索了半个多世纪，但为什么在银河系中没有看到外星人的迹象。但是，由詹森·赖特博士（Jason Wright）领导的宾夕法尼亚州立大学的一个团队说，这没有什么奥秘：我们只搜索了一部分银河，这相当于热水瓶中的水

与地球海洋中的水相比。

正如道格拉斯·亚当斯（Douglas Adams）在《旅行者》银河指南中这样敏锐地观察到的那样：“空间很大。您就是不敢相信它有多么庞大，巨大，令人难以置信。

为什么自然将其基本组成部分增加了三倍？

说乐高推出了一种版本的砖，其中每块砖都比标准砖大数百倍。并说它随后推出了另一个版本，其中的砖头大了数千倍。您会以为公司已经变得疯狂了，这是可以原谅的。但这恰恰是大自然用其基本组成部分-夸克和轻子所做的。

正常物质仅由两种夸克和两种轻质构成。但是，还有第二个“夸克”和“轻子”，其中所有粒子都重于第一个，除了重几百倍，而第三个它们相同，但重了数千倍。

繁重的世代需要大量的能量来创造，因此今天很少见。但是，很可能他们在“大爆炸”中扮演了关键角色。但是，为什么每一代中粒子的质量都大不相同？美国物理学家，诺贝尔奖获得者史蒂芬·温伯格博士做出了一个有趣的猜测。

物质的基本构成要素通过与希格斯场相互作用而增加质量，希格斯场是一种填充所有空间的不可见流体。您可以想到它们与希格斯粒子相互作用，希格斯粒子是该能量场中的局部吊床。

温伯格指出，与希格斯场相互作用最强的粒子最终的质量接近希格斯粒子的质量，这些粒子不是第一代的，而是第三代的。

温伯格推测，也许它们是唯一与希格斯直接相互作用的粒子。也许第二代人通过与未发现的粒子直接相互作用的质量获得了发现，而该粒子直接与希格斯粒子相互作用。也许第一代是通过与第二个未发现的粒子（与第一个相互作用）相互作用来获得它们的。

就像操场上的游戏一样，在游戏中，一条消息传递给了一系列孩子，而中继的内容与最初所说的相去甚远。也许每降低一代，粒子就会进一步从“感觉”希格斯场中移走，因此其产生质量的作用被稀释了。

温伯格不知道这种机制如何详细发挥作用。但是其他物理学家认为他可能提供了如何解决自然界三重构造难题的暗示。