[비즈한국] 赫拉克勒斯A（Hercules A）星系在可见光下看去只是一个平平无奇、星体呈扁平椭圆状聚集的椭圆星系。然而，这个星系的真正魅力要在射电波段下观测才会显露。如果叠加射电观测结果，会发现它拥有向星系外延伸的独特双侧结构。这是星系内部的黑洞在剧烈活动时，向两侧喷射出的强大能量喷流所留下的痕迹。仅黑洞喷流的规模就达到了100万光年。这种在射电观测中能看到喷射出强大能量喷流的黑洞星系，被称为射电星系。这种痕迹虽然大到足以跨越整个星系，但现在看来，这充其量只是“小儿科”级别。
令人惊讶的是，天文学家最近发现了一个喷射出能量喷流总长度高达2300万光年的超大规模星系。这个整体规模相当于要把140个银河系排成一列才能填满，简直是庞大到了极点。很难相信这仅仅是居住在单个星系中心的黑洞所留下的痕迹。其规模几乎与星系连成的宇宙大尺度结构纤维（filament）相当！
事实上，天文学家并不是一开始就刻意寻找这种怪兽级的射电星系。他们最初的工作是用低频射电波段对整个宇宙进行扫描，以掌握四处交织的宇宙大尺度结构中星系纤维的地图。虽然人们早已知道宇宙各处存在着怀揣狂暴黑洞、向两侧喷射巨大能量喷流的星系，但当时认为其数量并不会太多。然而，LOFAR（低频阵列）的观测结果揭示，实际上隐藏着8000个喷射出强大能量喷流的星系。
其中，有一个正在喷射出压倒性巨型规模喷流的星系，其全长竟达2300万光年！这完全称得上是宇宙大尺度级别的规模。天文学家以神话中的巨人——泰坦之一“波耳菲里翁（Porphyrion）”的名字为这个喷射出巨型射电喷流的存在命名。在发现波耳菲里翁之前，规模最大的射电星系是2022年由同一研究团队发现的阿尔库俄纽斯（Alcyoneus）。但没过多久，该纪录又被同一个研究团队刷新了。
由于很难相信竟存在如此巨大的能量喷流，天文学家与印度的GMRT射电望远镜以及正在进行DESI项目（致力于测量宇宙各处遥远星系距离、绘制地图以揭示暗能量本质）的观测团队展开合作，最终锁定了这个喷射出巨型喷流的星系。该星系质量是银河系的10倍，距离银河系75亿光年。也就是说，它保留了宇宙年龄为63亿年时的样貌。考虑到宇宙现今138亿年的年龄，它是一个还不到宇宙总寿命一半的“年轻”星系。
从早期宇宙开始，这种剧烈活动并留下巨大射电喷流的星系就已经存在，这意味着在宇宙大尺度结构的各处，可能还隐藏着许多我们尚未发现的同规模巨型射电星系。
长期以来，天文学家认为无论星系中心黑洞喷出的喷流多么猛烈，其规模都很难超过500万光年。因为喷流在传播过程中会逐渐减弱，并且在与星系外星际空间中的气体粒子碰撞时，会缓慢损耗能量并向四处消散。然而，此次确认的波耳菲里翁星系射电喷流竟以超过200万光年的惊人规模喷出，甚至穿透了宇宙大尺度结构的纤维。究竟是什么让能量喷流在如此巨大的尺度下依然没有散开，反而能向两侧笔直地喷射呢？
一种可能性是，偶然间黑洞喷流喷出的方向上几乎不存在其他星系，而是一个巨大且空旷的“空洞（void）”。如果喷流是向宇宙大尺度结构的纤维方向喷出，早就因为与其它星系或气体物质碰撞而散开了，正是因为喷向了空旷的巨大空洞，才得以不损失能量并传播得如此遥远。即便如此，要维持如此大规模的喷流，星系中心的黑洞必须在数十亿年间一直不停地“进食”，并向四面八方喷射强大的能量。然而，黑洞究竟是如何在数十亿年里不耗尽食物来源，并持续喷射能量的，这依然是一个未解之谜。
黑洞的能量喷流是追踪跨越数亿光年宇宙大尺度结构中星系间磁场流动的良好工具。因为带电粒子的流动会沿着宇宙空间的磁场运行。向两侧延伸的长长黑洞喷流，相当于一种“宇宙指南针”。虽然常被忽视，但磁场确实是星系形成和宇宙大尺度结构塑造过程中至关重要的因素，毕竟宇宙空间中所有的粒子都带有电荷。就像在磁铁周围撒上铁粉来掌握磁场的形态与分布一样，通过黑洞喷流及其痕迹扩散的形态，可以确认构建起宇宙大尺度结构的磁场的存在。
大家可能见过各种宇宙学模拟视频，展示了宇宙早期随机分布的粒子在彼此的引力和周围宇宙空间磁场的作用下流动，密度逐渐升高并最终形成星系的过程。你可能认为这只是为了视觉效果而制作的动画，但事实并非如此。这全部是用超级计算机经过数月到数年运行后得出的严谨计算结果可视化后的呈现。如果要用我们平时使用的普通笔记本电脑完成这种计算，大约需要2000年的时间。
在这种宇宙学模拟过程中，有一个总是会出现的有趣场景：在宇宙大尺度结构的高密度节点中，厚重的星系向四方喷射出仿佛爆炸般的强大能量。这正是那些在早期宇宙中通过剧烈“进食”向四方喷射强大能量的黑洞星系的痕迹。大量气体物质瞬间涌入星系中心黑洞，饱餐后的黑洞向四方喷发能量。这一过程会瞬间改变周围气体的密度或温度分布，对整个宇宙的演化至关重要。不仅是喷发出能量的星系本身，周围不幸被直接击中的邻近星系也会迅速失去自身储存的气体物质。由于突然失去了新鲜的气体物质，这些星系失去了创造新恒星的能力，变成了失去生命力的“死星系”。
在研究星系演化时，常会被问到：正如恒星演化到终点会以超新星爆发结束生命一样，星系是否也会死亡或爆炸？严格来说，与单个恒星不同，星系本身不会发生那样的爆炸。而且，星系也不会因为年龄增长而消失。只是随着时间流逝，创造新恒星的能力减弱，整个星系会变得越来越昏暗无力。但是，如果对“爆炸”这个词的定义放宽一点呢？例如，如果定义为跨越射电、可见光、红外线、紫外线等各种波段瞬间喷射出强大能量的现象，那么星系也完全是可以发生爆炸的。因为星系中心强大的黑洞活动确实会产生“邻里影响”并留下痕迹。
究竟星系中心的黑洞能延伸到什么程度？这种活动又会对宇宙大尺度结构及其内部生存的各个星系产生怎样的影响？我们现在拥有了“黑洞喷流”这把新的指南针，可以用来直接追踪长久以来被视为未知领域的宇宙磁场。人类正在利用它，一步步寻找线索。
作者池雄培（Ji Ung-bae）是谁？他热爱猫和宇宙。小时候看到《银河铁道999》后，立志让人们了解宇宙之美。目前在延世大学星系演化研究中心及近宇宙论研究室，研究星系相互作用带来的演化，并进行演讲和写作等多样化的科学传播活动。著有《暧昧的观测台》、《整天想宇宙》、《星，光的科学》等书籍。