美国国家航空航天局的IXPE帮助解开黑洞喷流之谜

天空中一些最亮的物体被称为blazars。它们由一个超大质量黑洞组成，以圆盘中围绕它旋转的物质为食，可以在每一侧产生两股垂直于圆盘的强大喷流。blazar特别明亮，因为它的一股强大的高速粒子喷流直接指向地球。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的？美国国家航空航天局的成像X射线偏振探测器（IXPE）帮助天文学家更接近答案。在一项由大型国际合作撰写的《自然》杂志上的一项新研究中，天文学家发现，粒子加速的最佳解释是喷流中的冲击波。“这是一个40年前的谜团，我们已经解开了，”该研究的主要作者、芬兰天文中心的天文学家Yannis Liodakis说。“我们终于找到了所有的拼图，他们画的画面很清晰。”

这幅图显示了美国国家航空航天局的IXPE航天器，在右边，观察blazar Markarian 501，在左边。blazar是一个由气体和尘埃组成的圆盘围绕的黑洞，高能粒子的明亮喷流指向地球。插图显示了喷流中的高能粒子（蓝色）。当粒子撞击冲击波（如白条所示）时，粒子会通电，并在加速时发射X射线。远离冲击时，它们会发出能量较低的光：首先是可见光，然后是红外线和无线电波。离冲击更远的地方，磁力线更加混乱，导致粒子流中出现更多湍流。

美国国家航空航天局和意大利航天局合作的绕地球运行的IXPE卫星于2021年12月9日发射，提供了一种以前从未从太空获取过的特殊数据。这些新数据包括对X射线偏振的测量，这意味着IXPE可以检测组成X射线的光波的电场的平均方向和强度。由于大气层吸收来自太空的X射线，地球上的望远镜无法获得有关X射线光中电场方向和偏振程度的信息。意大利航天局IXPE的项目科学家Immacolata Donnarumma说：“这类光源的首次X射线偏振测量首次允许与通过观察其他频率的光（从无线电到高能伽马射线）开发的模型进行直接比较。”“随着对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来指向大力神座的一个布拉扎尔神星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月初观看了《马卡里安501》三天，两周后再次观看。在这些观测过程中，天文学家使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布拉扎尔的信息。虽然其他研究过去也观察过来自blazars的低能量光的偏振，但这是科学家们第一次对blazar的X射线有这样的看法，这些X射线发射得离粒子加速源更近。波士顿大学天文学家Alan Marscher说：“将X射线偏振添加到我们的无线电、红外和光学偏振库中，将改变游戏规则。

科学家发现，X射线比光学光更偏振，光学光比无线电更偏振。但对于观察到的所有波长的光，偏振光的方向都是相同的，并且也与喷流的方向一致。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，这些数据与冲击波加速喷流粒子的场景最为吻合。当物体的运动速度超过周围物质的声速时，就会产生冲击波，比如当超音速喷气式飞机在地球大气层中飞过时。这项研究并不是为了调查冲击波的起源，因为冲击波仍然很神秘。但科学家们假设，喷流中的扰动会导致其一部分变成超音速。这可能是由于喷流内的高能粒子碰撞，或者喷流边界处的压力突然变化造成的。

Marscher说：“当冲击波穿过该区域时，磁场变得更强，粒子的能量也变得更高。”“能量来自产生冲击波的材料的运动能量。”

当粒子向外传播时，它们首先会发射X射线，因为它们能量极高。向外移动得更远，穿过离冲击位置更远的湍流区域，它们开始失去能量，这导致它们发射出能量较低的光，比如光波，然后是无线电波。这类似于水流在遇到瀑布后变得更加湍流——但在这里，磁场会产生这种湍流。科学家们将继续观察Markarian 501 blazar，看看偏振是否会随着时间的推移而变化。IXPE还将在其为期两年的主要任务中调查更广泛的blazars集合，探索更多关于宇宙的长期谜团。Marscher说：“这是人类理解自然及其所有异国情调的进步的一部分。”