黑洞噴流

上個月發布了一個消息:經由事件視界望遠鏡,人類第一次拍攝下黑洞的照片!這個黑洞位於M87星系中心,距離地球5300萬光年,周圍被大量塵埃、氣體包圍著,因此可見光望遠鏡看不見它的,科學家利用無線電波波段的望遠鏡來觀測黑洞。

黑洞會扭曲時空,讓周圍的物質一下就掉進去,有趣的是,部分物質不會被黑洞吞噬,反而被以接近光速的高速噴離黑洞,而這個噴出的機制,目前仍然未知。當這些物質被噴發出來,形成噴流,會撞擊黑洞周圍的氣體,使得物質減速、產生衝擊波。

衝擊波 的形成是因為物質運動的速度超越了聲速,就如同戰鬥機如果飛行速度太快,會發生音爆的狀況。我們先定義「馬赫數」為物體移動速率與聲速的比值:

其中, 是物體的移動速率, 表聲速。當馬赫數 > 1,代表物體移動速率超越聲速,此時聲波的波前累積疊加,形成衝擊波;你可以把它想像成,在某處有上百個波發生了建設性干涉,此時波的振幅疊加後極大,這個情況就叫做衝擊波。

因為衝擊波在某處的振幅很大,因此波在傳遞時,就會使介質的溫度、壓力、密度等參數發生極大的變化;同時,振幅和能量正相關,振幅大代表能量大,因此在波前疊加的地方,能量極大,但隨著傳遞的距離越遠而衰減,且衰減速率很快。

回到黑洞噴出的物質,它們衝出的速度接近光速,遠大於聲速,因此就會如同戰鬥機一樣產生衝擊波,而衝擊波又會釋放輻射,我們的儀器可以看到衝擊波釋放的輻射,發現有一部分的噴流往地球的方向衝出,而另一部分則是往遠離地球的方向噴出。

從上方的小圖中可以看到,當物質被噴出後會轉彎,這是因為物質減速的緣故,而開始轉彎的那個位置,就是衝擊波發生的地方。另外,從下方的小圖,又可以發現,下半圓的亮度較高,代表物質正高速朝向地球的方向噴出,而另一半較不明顯則是因為,物質正高速遠離我們。

原始資料:

https://www.space.com/messier-87-galaxy-light-speed-jets-image.html

參考資料:

https://www.livescience.com/65196-black-hole-event-horizon-image.html

http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=19276

圖片來源:

[0] https://www.space.com/messier-87-galaxy-light-speed-jets-image.html

[1] https://www.livescience.com/65196-black-hole-event-horizon-image.html

[2] http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=19276

[3] https://www.space.com/messier-87-galaxy-light-speed-jets-image.html