美國國家航空航天局的錢德拉在宇宙“正午”看到了令人驚訝的強大黑洞射流 _美國

美國國家航空航天局錢德拉X射線天文臺的一項研究表明，一個黑洞在遙遠的宇宙中噴出了一股令人驚訝的強大射流。圖像：X射線：NASA/CXC/CfA/J.Maithil等人。；插圖：NASA/CXC/SAO/M.Weiss；圖像處理：NASA/CXC/SAO/N.Wolk
據美國國家航空航天局（李莫洪）：根據美國國家航空航天局錢德拉X射線天文臺的一項新研究，一個黑洞在遙遠的宇宙中噴出了一股令人驚訝的強大射流，并在我們最新的新聞稿中進行了討論。這股噴流在宇宙中存在得足夠早，以至于它被大爆炸本身留下的輝光照亮了。
天文學家使用錢德拉和卡爾·G·揚斯基甚大陣列（VLA）在他們稱之為“宇宙正午”的時期研究了這個黑洞及其噴流，該時期發生在宇宙開始約30億年后。在此期間，大多數星系和超大質量黑洞的增長速度比宇宙歷史上任何時候都快。
主圖是一位藝術家的插圖，顯示了一個朝向超大質量黑洞墜落的圓盤中的物質。正如錢德拉在這項新研究中發現的那樣，一股噴流正從黑洞向右上角噴射。這個黑洞距離地球116億光年，當時宇宙微波背景輻射（CMB），即大爆炸的殘余輝光，比現在密度大得多。當射流中的電子飛離黑洞時，它們會穿過CMB輻射的海洋，并與微波光子碰撞。這些碰撞將光子的能量提升到X射線帶（紫色和白色），使錢德拉即使在如此遙遠的距離也能探測到它們，如插圖所示。
事實上，研究人員發現并證實了兩個不同的黑洞的存在，這兩個黑洞的噴流長度超過30萬光年。這兩個黑洞分別距離地球116億光年和117億光年。一個射流中的粒子以光速的95%至99%移動（稱為J1405+0415），另一個射流以光速的92%至98%移動（J1610+1811）。來自J1610+1811的噴流非常強大，攜帶的能量大約是圍繞黑洞運行的熱氣體發出的強光的一半。
該團隊能夠探測到這些噴流，盡管它們與明亮的、不斷增長的超大質量黑洞（稱為“類星體”）相距甚遠，距離也很?。?這是因為錢德拉的X射線視野很清晰，而且CMB當時比現在密度大得多，增強了上述能量提升。
當類星體噴流接近光速時，愛因斯坦的狹義相對論會產生戲劇性的增亮效應。朝向地球的噴氣式飛機看起來比那些指向遠處的飛機亮得多。天文學家觀察到的相同亮度可能來自速度和視角的不同組合。一架以接近光速飛行但遠離我們的噴氣式飛機，看起來就像一架直接指向地球的慢速噴氣式飛機一樣明亮。
研究人員開發了一種新的統計方法，最終解決了分離速度和視角效應的挑戰。他們的方法認識到了一個基本的偏見：天文學家更有可能發現指向地球的噴流，僅僅是因為相對論效應使它們看起來最亮。他們使用修改后的概率分布將這種偏差納入其中，該分布解釋了如何在調查中檢測到不同角度的射流。
他們的方法首先利用射流粒子如何散射CMB的物理學原理來確定射流速度和視角之間的關系。然后，他們沒有假設所有角度的可能性都是相等的，而是應用了相對論選擇效應：向我們發射的射流（較小的角度）在我們的目錄中被高估了。通過運行一萬個模擬，將這種偏差分布與他們的物理模型相匹配，他們最終可以確定最可能的視角：J1405+0415約為9度，J1610+1811約為11度。
這些結果由Jaya Maithil（哈佛和史密森尼天體物理中心）在阿拉斯加州安克雷奇舉行的美國天文學會第246次會議上提出，并發表在《天體物理學雜志》上。這里有預印本。位于阿拉巴馬州亨茨維爾的美國國家航空航天局馬歇爾太空飛行中心負責管理錢德拉項目。史密森天體物理天文臺的錢德拉X射線中心控制著馬薩諸塞州劍橋的科學操作和馬薩諸塞州伯靈頓的飛行操作。