天文學(xué)家在觀測(cè)超大質(zhì)量黑洞時(shí)，目擊到超高速物體飛出黑洞

距今約117億年前，宇宙才剛誕生20億年，正處在史上激烈的演化階段：星系瘋狂孕育恒星，中心的超大質(zhì)量黑洞也以驚人速度吞噬氣體，點(diǎn)亮成橫跨數(shù)萬(wàn)光年的類(lèi)星體。

在這場(chǎng)宇宙級(jí)的饕餮盛宴里，黑洞從不會(huì)把所有物質(zhì)都吞進(jìn)，它會(huì)把近三分之一的吸積物質(zhì)以接近光速的速度反向噴出，化作席卷整個(gè)星系的狂暴颶風(fēng)。

最近，歐洲XMM-牛頓望遠(yuǎn)鏡與美國(guó)NuSTAR望遠(yuǎn)鏡的聯(lián)合觀測(cè)，就在紅移3.294的類(lèi)星體WISSH13身上，捕捉到了這類(lèi)超高速外流的清晰痕跡。

該研究于2026年6月3日發(fā)表在預(yù)印本平臺(tái)。

這也是人類(lèi)首次不靠引力透鏡放大，在如此遙遠(yuǎn)的宇宙深處完整解析出黑洞風(fēng)的雙層結(jié)構(gòu)，它是目前已知紅移最高的非透鏡類(lèi)星體超高速外流。

速度接近或超過(guò)光速十分之一的黑洞風(fēng)，天文學(xué)家稱(chēng)之為超高速外流（ultra-fast outflows）-UFO。

它們誕生于黑洞吸積盤(pán)的最內(nèi)側(cè)，帶著巨大動(dòng)能沖向星際空間，既能吹散星系里的氣體儲(chǔ)備、終止恒星形成，也能反過(guò)來(lái)限制黑洞自身的生長(zhǎng)，是調(diào)節(jié)黑洞與星系共同演化的關(guān)鍵開(kāi)關(guān)。

但想要看清百億光年外的黑洞風(fēng)并不容易：它們的信號(hào)藏在X射線波段的細(xì)微吸收凹陷里，距離越遠(yuǎn)信號(hào)越弱。

過(guò)去幾十年，高紅移類(lèi)星體的黑洞風(fēng)探測(cè)幾乎全靠引力透鏡效應(yīng)——借前景星系的引力放大背景類(lèi)星體的光線，才能勉強(qiáng)捕捉到信號(hào)。

但透鏡天體數(shù)量稀少，觀測(cè)結(jié)果還自帶放大偏差，我們一直沒(méi)法知道普通亮類(lèi)星體的黑洞風(fēng)到底是什么模樣。

為補(bǔ)上這塊空白，意大利國(guó)家天體物理研究所的團(tuán)隊(duì)，啟動(dòng)了WISSHFUL大型觀測(cè)計(jì)劃，專(zhuān)門(mén)挑選了15顆宇宙正午時(shí)期的超亮類(lèi)星體，不靠引力透鏡，直接用深度曝光捕捉黑洞風(fēng)信號(hào)。

WISSH13就是該計(jì)劃首個(gè)公布成果的目標(biāo)：它的中心黑洞質(zhì)量約為太陽(yáng)的20億倍，吞噬物質(zhì)的速度達(dá)到了經(jīng)典愛(ài)丁頓極限的3.2倍，屬于典型的超愛(ài)丁頓吸積類(lèi)星體，總光度相當(dāng)于太陽(yáng)的數(shù)百萬(wàn)億倍。

研究團(tuán)隊(duì)整合了2017年的存檔數(shù)據(jù)與2024年秋季的三次深度觀測(cè)，拼接出目前該紅移下質(zhì)量最高的非透鏡類(lèi)星體X射線光譜。

很快，兩道清晰的吸收凹陷浮出水面：它們都由高度電離的鐵原子產(chǎn)生，因?yàn)槌厍蚋咚龠\(yùn)動(dòng)，吸收特征整體向高能端偏移，就像救護(hù)車(chē)靠近時(shí)警笛聲調(diào)變高的多普勒效應(yīng)一樣。

通過(guò)偏移量計(jì)算，兩道風(fēng)的速度分別達(dá)到了光速的9%和33%，也就是每秒約2.7萬(wàn)公里和每秒約10萬(wàn)公里。

更有意思的是兩道風(fēng)的時(shí)間變化：速度較慢的那道，在地球觀測(cè)間隔7年、天體自身靜止系僅間隔1.6年的兩次觀測(cè)中都穩(wěn)定存在，對(duì)應(yīng)黑洞吸積盤(pán)外側(cè)持續(xù)噴發(fā)的穩(wěn)定風(fēng)層；而速度達(dá)到三分之一光速的快風(fēng)，2017年完全沒(méi)有蹤跡，2024年卻突然出現(xiàn)，更像是一次短暫的爆發(fā)事件。

這種內(nèi)快外慢的雙層結(jié)構(gòu)，剛好和理論預(yù)言的分層風(fēng)模型完全吻合：吸積盤(pán)最內(nèi)側(cè)的物質(zhì)被輻射壓加速到極高速度，形成纖細(xì)的高速風(fēng)核；稍遠(yuǎn)一些的位置則噴出更寬、更慢的風(fēng)鞘。

高速風(fēng)核容易受盤(pán)面磁場(chǎng)重聯(lián)、局部耀斑影響，時(shí)隱時(shí)現(xiàn)；低速風(fēng)鞘則和整體吸積過(guò)程綁定，常年穩(wěn)定存在。

除了雙層風(fēng)結(jié)構(gòu)，這次觀測(cè)還印證了一個(gè)反直覺(jué)的規(guī)律：吞噬速度越快的黑洞，周?chē)母邷孛釋臃炊嚼洹?/p>

測(cè)算顯示，WISSH13的冕層電子能量約20千電子伏，換算成溫度約為2.3億攝氏度，是目前測(cè)到的最冷的亮類(lèi)星體冕層之一。

研究人員解釋?zhuān)@正是超高速吸積的典型特征：吸積盤(pán)會(huì)輻射出大量紫外與軟X射線光子，通過(guò)康普頓散射像冷水一樣持續(xù)給冕層降溫，最終形成了吃得越快、冕層越冷的特殊現(xiàn)象。

從能量上看，兩道風(fēng)每年噴出的物質(zhì)總和約相當(dāng)于45個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量，單道風(fēng)的年外流質(zhì)量就超過(guò)20個(gè)太陽(yáng)。

其中高速風(fēng)的動(dòng)能達(dá)到了類(lèi)星體總光度的十分之一，絕對(duì)能量足以排進(jìn)已知黑洞風(fēng)的第一梯隊(duì)。

但如果把能量和黑洞自身的光度做比值，結(jié)果卻和附近宇宙的普通活動(dòng)星系幾乎一致。

這說(shuō)明黑洞噴風(fēng)的效率在宇宙尺度上高度統(tǒng)一——從110多億年前到今天，無(wú)論黑洞大小、距離遠(yuǎn)近，每吸收一定量的物質(zhì)，就按固定比例噴出一部分的規(guī)律始終沒(méi)變。

作為WISSHFUL計(jì)劃的首個(gè)成果，這次發(fā)現(xiàn)最關(guān)鍵的價(jià)值，是證明了不靠引力透鏡也能在宇宙正午時(shí)期精準(zhǔn)解析黑洞風(fēng)。

接下來(lái)團(tuán)隊(duì)還會(huì)對(duì)剩下14顆類(lèi)星體展開(kāi)觀測(cè)，逐步拼湊出宇宙最熱鬧時(shí)期的黑洞風(fēng)全景。

未來(lái)隨著新一代X射線望遠(yuǎn)鏡雅典娜號(hào)升空，我們還能看清更細(xì)致的風(fēng)層結(jié)構(gòu)，最終弄明白這些宇宙颶風(fēng)，究竟是如何塑造了今天星系的模樣。