NASA的IXPE让天文学家对耀变体有了新的发现
宇宙中充满了强大的超大质量黑洞，它们产生强大的高能粒子喷流，在浩瀚的太空中创造出极度明亮的光源。当其中一个喷流直接指向地球时，科学家称这个黑洞系统为耀变体。
为了了解为什么喷流中的粒子以以极高的速度和能量移动，科学家们期待着NASA于2021年12月发射的IXPE（X射线成像偏振探测器）。IXPE测量X射线光的一种特殊属性，称为偏振，它与X射线频率下的电磁波组织有关。
本周，一个国际天体物理学家团队发表了IXPE关于一个名为马卡里安421的耀变体的新发现。这个耀变体位于大熊座，距离地球约4亿光年，有证据表明，在喷流中粒子被加速的部分，磁场具有螺旋结构，这让科学家们感到惊讶。
NASA的这幅插图显示了由X射线成像偏振探测器（IXPE）最近对马卡里安421耀变体的观测推断出的黑洞喷流的结构。喷流由吸积盘提供动力，如图底部所示，随着时间的推移，吸积盘绕黑洞运行并落入黑洞。螺旋磁场穿过喷流。IXPE的观测表明，X射线必须是在围绕螺旋磁场旋转的物质内部产生的激波中产生。插图显示了激波锋本身。X射线产生于最靠近激波锋面的白色区域，而而光学和无线电发射必须来自远离激波的更动荡的区域。
影像来源：NASA/Pablo Garcia
“马卡里安421是高能天文学家的老朋友。”意大利航天局天体物理学家劳拉·迪·格苏说，她是这篇新论文的主要作者。“我们确信耀变体将是IXPE的一个有价值的目标，但它的发现超出了我们的最佳预期，它成功地展示了X射线偏振测量技术如何丰富我们探测复杂磁场几何形状和相对论性喷流不同区域粒子加速的能力。”
这项新的研究详细介绍了IXPE团队在马卡里安421的发现，可在最新一期的《自然天文学》上查阅。
像马卡里安421发出的喷流可以延伸数百万光年。它们之所以特别明亮，是因为当粒子接近光速时，它们会释放出巨大的能量，并以爱因斯坦预测的奇怪方式表现出来。耀变体喷流之所以格外明亮，是因为就像救护车的警报器在靠近时声音会更响一样，喷流指向我们的光也会显得更亮。这就是为什么耀变体比它们所在星系的所有恒星都要亮。
尽管经过了几十年的研究，科学家们仍然没有完全掌握形成耀变体喷流的动力学和发射的物理过程。但是IXPE突破性的X射线偏振测量技术——测量光波电场的平均方向——使他们对这些目标、它们的物理几何形状以及它们的发射源有了前所未有的了解。
强大喷流的典型外流的研究模型通常被描绘为一种螺旋结构，类似于人类DNA的组织方式。但是科学家们没有预料到螺旋结构会包含被震动加速的粒子区域。
IXPE在2022年5月和6月对马卡里安421的三次长时间观测中发现了令人惊讶的偏振角变化。
“我们已经预料到偏振方向可能会改变，但基于之前对许多耀变体的光学观察，我们认为大的旋转很少发生。”赫尔曼马歇尔说，他是剑桥麻省理工学院的研究物理学家，也是该论文的合著者。“因此，我们计划对耀变体进行几次观测，第一次观测显示偏振度恒定在15%。”
他补充说，值得注意的是，对IXPE偏振数据的初步分析显示，在第一次和第二次观测之间，偏振值降至零。
“然后，我们认识到，极化实际上大致相同，但它的方向实际上是一个180度的大转弯，在两天内旋转了近180度。”马歇尔说。“然后，在一天后开始的第三次观察中，我们再次惊讶地观察到偏振方向继续以相同的速度旋转。”
更奇怪的是，同时进行的光学、红外和无线电测量显示，即使偏振X射线发射发生偏离时，其稳定性和结构也没有任何变化。这意味着激波可能沿着喷流内部的螺旋磁场传播。
激波加速喷流粒子的概念与马卡里安501的理论一致，马卡里安是IXPE观测到的第二个耀变体，并于2022年底发表了一项研究。但它的表亲马卡里安421显示了更明确的证据，表明螺旋磁场引起激波。
迪格苏、马歇尔和他们的同事们渴望对马卡里安421和其他耀变体进行进一步的观察，以了解更多关于这些喷流波动以及它们发生的频率。
迪格苏说:“多亏了IXPE，这是天体物理喷流研究的一个激动人心的时刻。”
IXPE是NASA和意大利航天局与12个国家的伙伴和科学合作者之间的合作项目。IXPE由NASA位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心领导。总部位于科罗拉多州布鲁姆菲尔德的鲍尔航空航天公司与位于博尔德的科罗拉多大学大气与空间物理实验室一起管理航天器的运行。IXPE对马卡里安421的观测得到了美国、法国、日本、西班牙和克里特岛的伙伴观测站收集的数据的补充。
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