NASA的IXPE帮助解决黑洞喷射之谜

天空中一些最亮的物体被称为耀变体。它们由一个超大质量黑洞组成，以吸积盘中围绕它旋转的物质为食，这可以在每一侧产生两股垂直于吸积盘的强大喷流。耀变体特别明亮，因为其强大的高速粒子射流直接指向地球。几十年来，科学家们一直在想：这些喷流中的粒子是如何被加速到如此高的能量？

NASA的X射线成像偏振探测器（IXPE）帮助天文学家接近答案。在《自然》杂志上发表的一项由一个大型国际合作组织撰写的新研究中，天文学家发现，对粒子加速的最佳解释是喷流中的激波。

“这是一个有40年历史的谜团，我们已经解开了。”这项研究的主要作者、芬兰ESO天文中心FINCA的天文学家扬尼斯·利奥达基斯说。“我们终于找到了拼图的所有部分，他们绘制的图像也很清晰。”

这幅图显示了NASA的IXPE航天器（在右边）正在观测耀变体Markarian 501（在左边）。耀变体是一个由气体和尘埃组成的吸积盘所包围的黑洞，带有指向地球的高能粒子的明亮喷流。插图显示了喷流中的高能粒子（蓝色）。当粒子撞击激波（如白条所示）时，粒子会被激发，并在加速时发出X射线。当远离激波时，它们发射出较低能量的光：首先是可见光，然后是红外线和无线电波。离激波更远的地方，磁场线更加混乱，导致粒子流更加湍急。
影像来源：NASA/Pablo Garcia

这颗绕地球运行的IXPE航天器由NASA和意大利航天局（Italian Space Agency）合作，于2021年12月9日发射，提供了一种以前从未从太空获得过的特殊数据。这个新数据包括X射线光偏振的测量，这意味着IXPE可以检测构成X射线的光波电场的平均方向和强度。由于大气层吸收了来自太空的X射线，地球上的望远镜无法获取有关X射线光电场方向和偏振程度的信息。

“对这一类来源的第一次X射线偏振测量首次允许与通过观测其他频率的光（从无线电到高能伽马射线）所建立的模型进行直接比较。”意大利航天局IXPE项目科学家伊曼科拉塔·唐纳鲁马表示。“随着当前数据的分析和未来获得的更多数据，IXPE将继续提供新的证据。”

这项新的研究使用IXPE将矛头指向了大力神星座中的一个耀变体——Markarian 501。这个活跃的黑洞系统位于一个大型椭圆星系的中心。

IXPE在2022年3月初对Markarian 501进行了为期三天的观测，两周后又进行了一次观测。在这些观测过程中，天文学家们利用太空和地面上的其他望远镜，在包括无线电、光学和X射线在内的各种波长的光中收集有关该耀变体的信息。虽然其他研究过去也曾观察过来自耀变体的低能量光的偏振，但这是科学家第一次从这个角度观测耀变体的X射线，因为这些X射线是在更接近粒子加速源的地方发射。

波士顿大学天文学家艾伦·马歇尔说：“将X射线偏振加入到我们的无线电、红外和光学偏振武器库中是一个游戏改变者。”

科学家们发现，X射线光比光学光偏振性更强，而光学光比无线电光偏振性更强。但是在观察到的所有波长的光中，偏振光的方向都一样，而且也与喷气的方向一致。

在将他们的信息与理论模型进行比较后，天文学家团队意识到，这些数据与激波加速喷射粒子的情景最为吻合。当物体运动速度超过周围物质的音速时，例如超音速喷气机在地球大气层中飞过，就会产生激波。

这项研究并不是为了调查仍然神秘的激波的起源。但科学家们假设，喷流中的扰动会导致喷流的一部分变成超音速。这可能是由于喷流内的高能粒子碰撞，或喷流边界处的突然压力变化所造成。

“当喷流穿过该区域时，磁场会变得更强，粒子的能量也会更高。”马歇尔说。“能量来自产生喷流的物质的动能。”

当粒子向外运动时，它们首先会发出X射线，因为它们能量极高。它们继续向外移动，穿过离激波位置更远的湍流区域，粒子开始失去能量，这导致它们发出能量较低的光，比如光波，然后是无线电波。这类似于水流遇到瀑布后变得更加湍急——但在这里，磁场产生了这种湍流。

科学家们将继续观察耀变体Markarian 501，看看偏振是否会随着时间而改变。IXPE还将在为期两年的主要任务中调查更广泛的耀变体集合，探索更多关于宇宙的长期谜团。马舍尔说:“这是人类在理解自然界及其所有奇异现象方面取得进展的一部分。”

参考来源：

https://www.nasa.gov/feature/nasa-s-ixpe-helps-solve-black-hole-jet-mystery