贪婪的黑洞，其实也是一个粒子加速器

“吸血鬼黑洞”是一个“宇宙粒子加速器”，可能会解开一个长期存在的天文学谜团

微类星体的喷流产生冲击波，这些冲击波可能会产生轰击地球的奇怪宇宙射线。

上方示意图为微类星体中的黑洞正在剥离恒星物质。这个黑洞宛如一个宇宙粒子加速器，可能成为高能宇宙射线的来源。（图源：NASA/ CXC/M.Weiss）

科学家们可能已经找到证据，证明“吸血鬼黑洞”以恒星（所谓的微类星体）为食。这些黑洞如同宇宙粒子加速器，产生轰击地球的神秘高能宇宙射线。

这些恒星级质量黑洞存在于拥有超巨星的双星系统中，它们贪婪地从超巨星身上剥离物质。一些恒星物质被吸引到黑洞的两极，然后随着高速喷流喷出。微类星体之所以得名，是因为它们与类星体类似。类星体是由超大质量黑洞驱动的活跃星系核，它们比普通黑洞具有更高的吸积率和更大的吸积盘，微类星体则没有那么极端。

1912年，宇宙射线首次被发现，它可以以10²⁰电子伏特(eV)的惊人能量撞击我们的地球。这比在大型强子对撞机上加速的粒子能量要大得多，而大型强子对撞机是目前地球上最大、最强大的粒子加速器。

因此，超新星和微类星体被认为是我们宇宙中强大的宇宙粒子加速器。科学家们认为这些现象可能是产生高能宇宙射线的原因，并且终于找到了能够证明微类星体可以将粒子加速到如此高能量的证据。

研究小组使用高能立体系统(H.E.S.S.)探测来自银河系中最强大的微类星体喷流的极高能量伽马射线，发现了宇宙射线和微类星体之间的联系，最终将该双星系统命名为SS 433。

这些伽马射线是SS 433的喷流撞击周围物质时产生的，形成的冲击波，将电子加速到足以解释高能宇宙射线中所看到的粒子的速度。

“加速机制类似于超新星遗迹，尽管SS 433喷流的冲击更快，可以将粒子加速到更高的能量，”巴塞罗那大学的副教授，瓦伦提·博什-拉蒙在一篇论文中讨论了这项发表在《科学》杂志上的研究。“这些从SS 433喷流中检测到的高能光子是一个间接的指标，表明在试图解释银河系宇宙射线中最具能量的原子核时，这些物质不应该被忽视。”

宇宙中的海牛

SS 433双星系统于1975年首次被发现，是第一个被发现的微类星体。在1977年被列入天体目录后，它正式被命名为SS 433，然后因科幻作家亚瑟·c·克拉克将其命名为“世界七大奇迹”之一而名声大噪。

SS 433位于超新星残骸W50的中心地带，距离地球约18000光年，被称为“海牛星云”。经过数十年的深入研究，人们得知SS 433由一个质量约为太阳10到15倍的黑洞和一颗白色超巨星组成。两者相距约1500万英里，每13个地球日绕对方运行一周。

SS 433的两颗恒星之间的距离不超过水星和太阳的三分之一，黑洞巨大的引力可以剥离恒星同伴的外层。这些被剥离的物质在黑洞周围形成了一个吸积盘，其中一些被送入了黑洞，其他部分则通过强大的磁场被输送到黑洞的两极。从那里，漏斗状物质以大约26%的光速被炸开。

超新星残骸W50因微类星体的喷流而形成海牛的形状。（图源：NASA/NRAO/AUI/NSF, K. Golap, M. Goss）

微类星体的喷流呈螺旋状姿态，其力量如此强大，甚至塑造了W50的整体外观。

W50超新星残骸是在一颗大质量恒星爆炸时形成的，比我们今天看到的要早大约2万年。内部的微类星体产生了两个凸起的“驼峰”，使W50呈现出巨大的宇宙海牛的外观。

在无线电波中可以看到，SS 433的喷流从源头两侧向外延伸约1光年。它们失去能量，逐渐暗淡。然而，奇怪的是，这些喷流又突然在距离微类星体75光年处的高能X射线光中重新出现。

研究小组表示，这现象表明喷流中的某种物质将粒子加速到了更高的能量，从而比它们从黑洞周围被炸出时的速度更快。

SS 433微类星体的示意图，蓝色的喷流正穿过“海牛星云”。（图源：Science Communication Lab for MPIK/H.E.S.S.）

科学家们使用纳米比亚的五台望远镜（包括H.E.S.S），在伽马射线光中研究了SS 433发出的奇怪喷流，发现能量更高的伽马射线来自更远的双星系统。

研究小组认为，对此最好的解释是，高速、冲击加速的电子使红外光粒子散射，并将它们转化为伽马射线。

在远离黑洞的地方发现高能伽马射线，这个现象表明了两点，距离SS 433中心双星大约75光年，在那里，冲击波将喷流重新塑造成一个紧密的柱状结构，并给相关粒子提供了能量。

这也解释了喷流在X射线中重新出现的原因，即加速的电子产生X射线辐射。

“这是第一次在天体物理喷流的伽马射线中观察到能量依赖的形态，” 马克斯-普朗克研究所的团队负责人，劳拉·奥利维拉-涅托在一份声明中说。“我们最初对这些发现感到困惑。在X射线喷流重现的地方聚集如此高能量的光子，意味着那里一定发生了有效的粒子加速。”

上方组合图展示了“海牛星云”与不同能量的伽马射线。（图源：Background: NRAO/AUI/NSF, K. Golap, M. Goss; NASA’s Wide Field Survey Ex-plorer (WISE); X-Ray (green contours): ROSAT/M. Brinkmann; TeV (red colors): H.E.S.S. collaboration.）

围绕着这个有趣的微类星体，研究小组发现仍然有一些谜题。比如，这些喷流在远离双星系统的地方到底撞击了什么，才产生巨大的冲击。

奥利维拉-涅托说:“我们仍然没有一个模型可以统一地解释喷流的所有特性，因为还没有模型预测到这一特征。”

该团队会尝试将他们所学到的相关知识，应用于更强大的超大质量黑洞驱动类星体的喷流。

此外，虽然这些发现暗示了高能宇宙射线的来源，但还没有揭开这个长达一个世纪的宇宙之谜。

“SS 433不可能是那些在地球上被探测到的，能量极高的宇宙射线质子的来源，因为这个源头太过年轻，它的粒子一旦逃离源头就无法到达地球，”博什-拉蒙认为。“然而，距离更近、寿命更长的微类星体，即使更弱、更难以探测，也可能对当地的千电子伏宇宙射线做出不可忽视的贡献。”