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。