[비즈한국] 赫拉克勒斯A（Hercules A）星系在可見光下看去只是一個平平無奇、星體呈扁平橢圓狀聚集的橢圓星系。然而，這個星系的真正魅力要在射電波段下觀測才會顯露。如果疊加射電觀測結果，會發現它擁有向星系外延伸的獨特雙側結構。這是星系內部的黑洞在劇烈活動時，向兩側噴射出的強大能量噴流所留下的痕跡。僅黑洞噴流的規模就達到了100萬光年。這種在射電觀測中能看到噴射出強大能量噴流的黑洞星系，被稱為射電星系。這種痕跡雖然大到足以跨越整個星系，但現在看來，這充其量只是“小兒科”級別。
令人驚訝的是，天文學家最近發現了一個噴射出能量噴流總長度高達2300萬光年的超大規模星系。這個整體規模相當於要把140個銀河系排成一列才能填滿，簡直是龐大到了極點。很難相信這僅僅是居住在單個星系中心的黑洞所留下的痕跡。其規模幾乎與星系連成的宇宙大尺度結構纖維（filament）相當！
事實上，天文學家並不是一開始就刻意尋找這種怪獸級的射電星系。他們最初的工作是用低頻射電波段對整個宇宙進行掃描，以掌握四處交織的宇宙大尺度結構中星系纖維的地圖。雖然人們早已知道宇宙各處存在著懷揣狂暴黑洞、向兩側噴射巨大能量噴流的星系，但當時認為其數量並不會太多。然而，LOFAR（低頻陣列）的觀測結果揭示，實際上隱藏著8000個噴射出強大能量噴流的星系。
其中，有一個正在噴射出壓倒性巨型規模噴流的星系，其全長竟達2300萬光年！這完全稱得上是宇宙大尺度級別的規模。天文學家以神話中的巨人——泰坦之一“波耳菲裡翁（Porphyrion）”的名字為這個噴射出巨型射電噴流的存在命名。在發現波耳菲裡翁之前，規模最大的射電星系是2022年由同一研究團隊發現的阿爾庫俄紐斯（Alcyoneus）。但沒過多久，該紀錄又被同一個研究團隊重新整理了。
由於很難相信竟存在如此巨大的能量噴流，天文學家與印度的GMRT射電望遠鏡以及正在進行DESI專案（致力於測量宇宙各處遙遠星系距離、繪製地圖以揭示暗能量本質）的觀測團隊展開合作，最終鎖定了這個噴射出巨型噴流的星系。該星系質量是銀河系的10倍，距離銀河系75億光年。也就是說，它保留了宇宙年齡為63億年時的樣貌。考慮到宇宙現今138億年的年齡，它是一個還不到宇宙總壽命一半的“年輕”星系。
從早期宇宙開始，這種劇烈活動並留下巨大射電噴流的星系就已經存在，這意味著在宇宙大尺度結構的各處，可能還隱藏著許多我們尚未發現的同規模巨型射電星系。
長期以來，天文學家認為無論星系中心黑洞噴出的噴流多麼猛烈，其規模都很難超過500萬光年。因為噴流在傳播過程中會逐漸減弱，並且在與星系外星際空間中的氣體粒子碰撞時，會緩慢損耗能量並向四處消散。然而，此次確認的波耳菲裡翁星系射電噴流竟以超過200萬光年的驚人規模噴出，甚至穿透了宇宙大尺度結構的纖維。究竟是什麼讓能量噴流在如此巨大的尺度下依然沒有散開，反而能向兩側筆直地噴射呢？
一種可能性是，偶然間黑洞噴流噴出的方向上幾乎不存在其他星系，而是一個巨大且空曠的“空洞（void）”。如果噴流是向宇宙大尺度結構的纖維方向噴出，早就因為與其它星系或氣體物質碰撞而散開了，正是因為噴向了空曠的巨大空洞，才得以不損失能量並傳播得如此遙遠。即便如此，要維持如此大規模的噴流，星系中心的黑洞必須在數十億年間一直不停地“進食”，並向四面八方噴射強大的能量。然而，黑洞究竟是如何在數十億年裡不耗盡食物來源，並持續噴射能量的，這依然是一個未解之謎。
黑洞的能量噴流是追蹤跨越數億光年宇宙大尺度結構中星系間磁場流動的良好工具。因為帶電粒子的流動會沿著宇宙空間的磁場執行。向兩側延伸的長長黑洞噴流，相當於一種“宇宙指南針”。雖然常被忽視，但磁場確實是星系形成和宇宙大尺度結構塑造過程中至關重要的因素，畢竟宇宙空間中所有的粒子都帶有電荷。就像在磁鐵周圍撒上鐵粉來掌握磁場的形態與分佈一樣，透過黑洞噴流及其痕跡擴散的形態，可以確認構建起宇宙大尺度結構的磁場的存在。
大家可能見過各種宇宙學模擬影片，展示了宇宙早期隨機分佈的粒子在彼此的引力和周圍宇宙空間磁場的作用下流動，密度逐漸升高並最終形成星系的過程。你可能認為這只是為了視覺效果而製作的動畫，但事實並非如此。這全部是用超級計算機經過數月到數年執行後得出的嚴謹計算結果視覺化後的呈現。如果要用我們平時使用的普通膝上型電腦完成這種計算，大約需要2000年的時間。
在這種宇宙學模擬過程中，有一個總是會出現的有趣場景：在宇宙大尺度結構的高密度節點中，厚重的星系向四方噴射出彷彿爆炸般的強大能量。這正是那些在早期宇宙中透過劇烈“進食”向四方噴射強大能量的黑洞星系的痕跡。大量氣體物質瞬間湧入星系中心黑洞，飽餐後的黑洞向四方噴發能量。這一過程會瞬間改變周圍氣體的密度或溫度分佈，對整個宇宙的演化至關重要。不僅是噴發出能量的星系本身，周圍不幸被直接擊中的鄰近星系也會迅速失去自身儲存的氣體物質。由於突然失去了新鮮的氣體物質，這些星系失去了創造新恆星的能力，變成了失去生命力的“死星系”。
在研究星系演化時，常會被問到：正如恆星演化到終點會以超新星爆發結束生命一樣，星系是否也會死亡或爆炸？嚴格來說，與單個恆星不同，星系本身不會發生那樣的爆炸。而且，星系也不會因為年齡增長而消失。只是隨著時間流逝，創造新恆星的能力減弱，整個星系會變得越來越昏暗無力。但是，如果對“爆炸”這個詞的定義放寬一點呢？例如，如果定義為跨越射電、可見光、紅外線、紫外線等各種波段瞬間噴射出強大能量的現象，那麼星系也完全是可以發生爆炸的。因為星系中心強大的黑洞活動確實會產生“鄰里影響”並留下痕跡。
究竟星系中心的黑洞能延伸到什麼程度？這種活動又會對宇宙大尺度結構及其內部生存的各個星系產生怎樣的影響？我們現在擁有了“黑洞噴流”這把新的指南針，可以用來直接追蹤長久以來被視為未知領域的宇宙磁場。人類正在利用它，一步步尋找線索。
作者池雄培（Ji Ung-bae）是誰？他熱愛貓和宇宙。小時候看到《銀河鐵道999》後，立志讓人們瞭解宇宙之美。目前在延世大學星系演化研究中心及近宇宙論研究室，研究星系相互作用帶來的演化，並進行演講和寫作等多樣化的科學傳播活動。著有《曖昧的觀測臺》、《整天想宇宙》、《星，光的科學》等書籍。