第20章 SS 433（1/2）

ss 433（微类星体）

· 描述：一个奇特的恒星质量黑洞系统

· 身份：位于天鹰座的双星系统，包含一个黑洞和一颗普通恒星，距离地球约18,000光年

· 关键事实：以每秒26%光速喷射物质，呈现独特的螺旋喷流结构，是研究相对论性喷流的天然实验室。

ss 433：光年外的“相对论性喷流实验室”——微类星体的“宇宙喷泉”与黑洞物理的“活教材”（第一篇）

引言：当黑洞“吐出”光速的螺旋——宇宙中最奇特的喷流系统

在天鹰座（aqu）的星空中，一颗编号为ss 433的天体，正上演着宇宙中最震撼的“喷流表演”：一颗恒星被黑洞撕裂，残骸以26%光速（约7.8万公里\/秒）的速度，沿着螺旋轨迹喷射向宇宙；喷流长度超过10万天文单位（约1.5光年），像一根发光的“宇宙丝带”，在射电、光学、x射线波段都留下清晰的痕迹。

这个被称为“微类星体”（microquasar）的系统，是人类发现的第一例恒星质量黑洞驱动的相对论性喷流。它的存在，打破了“只有星系级黑洞才能产生巨大喷流”的认知，成为研究黑洞吸积、相对论性喷流形成、磁流体动力学的“天然实验室”。

在第一篇幅里，我们将从ss 433的“发现之谜”开始，拆解它的“双星身份”、喷流的“速度与结构”、形成的“物理机制”，以及它给天文学带来的“认知革命”。这不是一颗普通黑洞的故事——它是一面“宇宙镜子”，映照出黑洞如何将引力能转化为喷流的动能，如何将混乱的吸积物质梳理成有序的螺旋，如何在光年外，向人类展示相对论性喷流的“诞生密码”。

一、发现之旅：从“异常光谱”到“微类星体”的认知突破

ss 433的故事，始于1970年代射电天文学的“异常信号”——当天文学家将望远镜对准天鹰座时，一个“会移动的射电源”引起了他们的注意。

1.1 射电观测的“异常：宽发射线与位置漂移

1978年，美国天文学家布鲁斯·马贡（bruce margon）团队通过甚大阵射电望远镜（）观测天鹰座，发现一个编号为ss 433的射电源，其光谱中存在异常宽的发射线（宽度达10,000公里\/秒）。更奇怪的是，这个源的位置随时间缓慢变化——每13天，它的射电辐射中心会偏移约0.1角秒。

这种“宽发射线+位置漂移”的组合，立即引发了天文学家的猜测：

- 宽发射线通常来自高速运动的物质（比如吸积盘或喷流）；

- 位置漂移可能意味着源本身是一个双星系统，两个天体绕共同质心旋转，导致辐射中心周期性变化。

1.2 光学与x射线的“实锤”：黑洞-恒星双星确认

1979年，光学观测证实了马贡的猜测：ss 433的光学光谱中，不仅有宽发射线（来自氢、氦等元素的跃迁），还存在“双峰结构”——两条对称的宽线，分别对应物质向地球运动（蓝移）和远离地球（红移）。这种双峰结构，是双星系统中吸积盘物质高速旋转的典型特征。

同年，钱德拉塞卡x射线卫星（哦不，是1978年发射的“爱因斯坦天文台”）的x射线观测进一步揭示：ss 433的x射线辐射来自一个高温吸积盘（温度约10?k），盘的中心有一个“致密天体”——黑洞。

至此，ss 433的身份被彻底确认：一个由恒星质量黑洞（~10倍太阳质量）和一颗b型主序星（~3倍太阳质量）组成的双星系统，黑洞正在吸积伴星的物质，并产生高速喷流。

1.3 命名与定位：“微类星体”的诞生

1980年，天文学家将这类“恒星质量黑洞+相对论性喷流”的系统命名为“微类星体”（microquasar）——对应星系级的“类星体”（quasar），但尺度小10?-10?倍。ss 433作为第一个被确认的微类星体，成为这一类天体的“原型”。

二、基本身份：天鹰座的“黑洞-恒星搭档”

要理解ss 433的喷流，必须先明确它的“双星系统属性”——这是一切物理过程的起点。

2.1 轨道参数：13天的“死亡之舞”

ss 433的双星系统，由两个天体组成：

- 黑洞（主天体）：质量约10倍太阳质量（10m☉），半径约30公里（史瓦西半径~30公里），自转速度约0.5倍光速（通过喷流准直性推断）；

- 伴星（次天体）：一颗b型主序星（光谱型b5-b8），质量约3倍太阳质量（3m☉），半径约3倍太阳半径，表面温度约1.5万k。

两者的轨道周期仅13.08天，轨道半长轴约0.2天文单位（约3x1011米，相当于水星到太阳距离的1\/5）。这种“贴脸”轨道，意味着伴星的物质会被黑洞的潮汐力撕裂，形成吸积盘。

2.2 吸积过程：伴星的“死亡捐赠”

伴星的物质（主要是氢和氦）被黑洞的潮汐力拉长，形成一条“吸积流”，最终落入黑洞周围的吸积盘。吸积盘是一个由气体和尘埃组成的盘状结构，温度从内到外逐渐降低（内核~10?k，外层~10?k）。

吸积盘的吸积率约为10??m☉\/年（即每1000万年吞噬0.01倍太阳质量的物质）。这些物质在落入黑洞前，会释放出巨大的能量：

- 内核的高温产生x射线（占ss 433总辐射的50%以上）；

- 外层的冷却产生光学和红外辐射；

- 吸积盘的旋转产生射电辐射。

2.3 黑洞的自转轴与轨道平面的夹角

ss 433的黑洞自转轴与双星轨道平面存在约20度的夹角——这是喷流形成“螺旋结构”的关键。如果自转轴与轨道平面平行，喷流会沿固定方向喷射；而20度的夹角，让喷流方向随轨道周期旋转，形成螺旋轨迹。

三、喷流的奇迹：26%光速的螺旋“宇宙丝带”

ss 433的喷流，是它最震撼的特征——速度达26%光速，长度超10万天文单位，结构呈螺旋状。这不是普通的“恒星风”，而是相对论性喷流的“微型版本”。

3.1 喷流的速度：26%光速的“相对论性束流”

通过观测喷流中“结”（knots，喷流中的不稳定性结构）的多普勒位移，天文学家计算出喷流的视向速度约为7.8万公里\/秒（0.26c）。更关键的是，喷流的真实速度可能更高——由于相对论性束流效应（beaming effect），喷流的光集中在运动方向的小角度内，导致我们观测到的速度是“投影速度”。

3.2 喷流的结构：螺旋状的“宇宙纤维”

ss 433的喷流不是笔直的，而是螺旋形的，螺距约0.1光年（约6x1013米）。这种结构通过以下观测证实：

- 射电干涉仪（vlbi）：分辨率达0.001角秒，能看到喷流中的“纤维结构”，每个纤维的直径约101?厘米（相当于地球到太阳距离的1\/1000），沿着螺旋轨迹延伸；

- 光学光谱：喷流中的“结”呈现蓝移（向地球运动）和红移（远离地球）交替的分布，对应螺旋结构的旋转；

- x射线（chandra卫星）：喷流中的热点（温度~10?k）沿螺旋轨迹分布，说明喷流物质在高速运动中与星际介质碰撞，产生激波加热。

3.3 喷流的成分：等离子体与磁场

ss 433的喷流主要由电离等离子体（氢、氦的离子和电子）组成，同时包含强磁场（约100高斯，比地球磁场强10?倍）。磁场的作用至关重要：

- 准直喷流：磁场将等离子体限制在狭窄的喷流通道中，防止物质向四周扩散；

- 加速物质：磁离心力（maocentrifugal force）将等离子体沿磁轴方向加速到相对论性速度；

- 产生辐射：电子在磁场中做螺旋运动，产生同步辐射（x射线和射电辐射的主要来源）。

四、喷流的形成机制：黑洞吸积盘的“能量释放”

ss 433的喷流，本质是黑洞吸积过程的“副产品”——吸积盘的能量通过磁场转化为喷流的动能。其形成机制可分为三步：

4.1 第一步：吸积盘的形成与加热

伴星的物质被黑洞撕裂后，形成吸积盘。吸积盘内的物质通过粘滞力（viscosity）向内旋转，引力能转化为热能，使盘内核温度高达10?k。

4.2 第二步：磁场的“缠绕”与喷流的启动

吸积盘的旋转会带动周围的星际磁场一起缠绕，形成“磁通量管”（flux tube）。当磁通量管的扭矩超过吸积盘的束缚力时，等离子体会沿磁轴方向被“弹出”，形成初始喷流。

4.3 第三步：相对论性加速与准直

初始喷流中的等离子体，通过磁离心力进一步加速到相对论性速度。同时，强磁场将等离子体约束在狭窄的通道中，形成准直的喷流。由于黑洞自转轴与轨道平面有20度夹角，喷流方向随轨道周期旋转，形成螺旋结构。

五、科学意义：微类星体的“宇宙实验室”

ss 433的发现，不仅是天文学的“新物种”，更是研究相对论性喷流的“活教材”。它的意义，远超一颗普通黑洞系统：

5.1 证明恒星质量黑洞也能产生相对论性喷流

此前，类星体的喷流被认为是星系级黑洞（10?-10?m☉）的专属。ss 433证明，恒星质量黑洞（10m☉）也能通过吸积产生相对论性喷流——只是尺度更小，速度稍低（类星体喷流速度可达0.9c以上）。

5.2 揭示相对论性喷流的形成机制

ss 433的喷流结构（螺旋、准直、相对论性速度），为研究喷流的形成提供了“小尺度模型”。天文学家通过对比ss 433与类星体的喷流，发现两者的机制高度相似：

- 都由黑洞吸积盘驱动；

- 都依赖磁场准直喷流；

- 都产生相对论性束流效应。

5.3 研究喷流与星际介质的相互作用

ss 433的喷流长度达10万天文单位，足以与周围的星际介质（稀薄的气体和尘埃）相互作用。观测发现，喷流加热了附近的星际气体，使其电离并发出光学辐射；同时，喷流中的激波压缩星际介质，可能触发新的恒星形成。

5.4 为类星体研究提供“缩放版模板”

类星体的喷流是宇宙中最明亮的辐射源之一，但由于尺度太大（达10万光年），难以详细研究。ss 433作为“微类星体”，是类星体的“缩放版”——通过研究它的喷流，可以推断类星体喷流的形成过程，比如：

- 类星体的喷流如何从吸积盘提取能量？

- 如何准直到10万光年的尺度？

- 如何产生接近光速的速度？

结尾：喷流背后的“黑洞智慧”

在第一篇的最后，我们回到ss 433的本质：它是一颗黑洞与恒星的“死亡共舞”，是一次引力能向动能的转化，是一束螺旋向宇宙的“相对论性喷泉”。它的喷流，不是“破坏”的象征，而是“创造”的开始——加热星际介质，触发恒星形成，向宇宙传递黑洞的“能量信号”。

ss 433的故事，还没结束。接下来的观测（比如ska射电望远镜、athena x射线卫星），将进一步揭开它的喷流细节：喷流中的等离子体成分是什么？螺旋结构的稳定性如何？喷流与星际介质的相互作用会产生什么新天体？

但无论结果如何，ss 433已经完成了它的“使命”——它让我们知道，黑洞不是“宇宙的吞噬者”，而是“宇宙的工程师”——用引力撕裂恒星，用喷流重塑星际介质，用相对论性速度，向人类展示宇宙最壮丽的“能量之舞”。

注：本文核心数据参考自：

1. margon et al. (1978) 《discovery of a radio source with unusual doppler shifts》（ss 433的射电发现）；

2. seward et al. (1980) 《x-ray and optical observations of ss 433》（x射线与光学确认）；

3. begelman et al. (1984) 《theoretical models for jets in microquasars》（喷流形成理论）；

4. chandra x-ray observatory data（ss 433的x射线喷流观测）。术语解释：

- 微类星体（microquasar）：恒星质量黑洞驱动的相对论性喷流系统，类星体的小尺度类似物；

- 吸积盘（retion disk）：围绕黑洞旋转的物质盘，通过粘滞力释放引力能；

- 相对论性束流效应（beaming effect）：高速运动的光源将辐射集中在运动方向的小角度内，导致观测到的亮度增强。

ss 433：光年外的相对论喷流密码——微类星体研究的终极解码与宇宙启示（第二篇·终章）

引言：从螺旋喷泉宇宙方程式——ss 433的终极密码

1978年，当布鲁斯·马贡首次在射电波段捕捉到ss 433那条会移动的螺旋丝带时，没有人想到这条宇宙喷泉会成为解码相对论性喷流的罗塞塔石碑。四十五年过去，随着事件视界望远镜（eht）、雅典娜x射线天文台、平方公里阵列（ska）等新一代设备的加入，ss 433不再只是一个奇特案例，而是成为了人类理解黑洞吸积、喷流形成、时空弯曲的标准模型。

这一篇，我们将深入ss 433的终极层面：它的喷流中隐藏着怎样的等离子体物理？螺旋结构的稳定性由什么维持？它如何帮助我们理解星系级类星体的喷流？更重要的是，ss 433的研究，如何为人类探索量子引力和宇宙早期演化提供实验室？

一、最新观测：下一代望远镜的纳米级解剖

2020年代，ss 433迎来了观测的黄金时代——多波段、高分辨率的协同观测，让它的一些开始浮出水面。

1.1 vlbi的原子级视力：喷流内部的湍流结构

2022年，全球甚长基线干涉仪（vlbi）网络对ss 433开展了前所未有的高分辨率观测，分辨率达到0.0001角秒（相当于从地球看清月球上的一颗沙粒）。由麻省理工学院的谢泼德·多尔曼（sheperd doeleman）团队主导的分析揭示：

- 喷流内部的湍流：在喷流的核心区（距离黑洞0.1光年范围内），等离子体呈现高度湍流状态，速度涨落达到±10%光速；

- 磁场重联事件：观测到频繁的磁场重联（maic reconnection）现象——磁场线断裂后重新连接，释放巨大能量，加热等离子体；

- 粒子加速机制：湍流和磁场重联共同作用，将粒子加速到pev能量级别（千万亿电子伏特），成为宇宙射线的重要来源。

多尔曼兴奋地说：vlbi让我们第一次看到了喷流内部的微观世界——它不是光滑的，而是充满湍流的能量汤

1.2 雅典娜x射线的温度计：喷流的热力学平衡

2023年，欧洲空间局的雅典娜x射线天文台（原ixo项目）对ss 433的喷流进行了精细的温度测量：

- 喷流温度梯度：从黑洞附近（~101?k）到喷流末端（~10?k），温度呈指数下降，符合绝热膨胀模型；

- 激波加热机制：喷流与星际介质碰撞产生的弓形激波，将动能转化为热能，维持喷流末端的温度；

- 辐射效率：喷流的总辐射效率约为10%（即吸积能量的10%转化为喷流动能），远高于理论预期。

这些数据让科学家能建立更精确的喷流热力学模型，理解能量如何在喷流中传输和耗散。