IXPE 帮助解开黑洞喷流之谜

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，该黑洞以圆盘中围绕它旋转的物质为食，可以在每一侧产生两个垂直于圆盘的强大射流。耀变体特别明亮，因为其中一股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：这些射流中的粒子如何加速到如此高的能量？
 
NASA 的成像 X 射线偏振探测器 (IXPE ) 帮助天文学家更接近答案。在由一项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射流中的冲击波。
 

“这是一个我们已经解开的 40 年之谜，”该研究的主要作者和 ESO 芬兰天文学中心 FINCA 的天文学家 Yannis Liodakis 说。“我们终于有了所有的拼图，他们拼出来的图也很清楚。”

地球轨道 IXPE 卫星于 2021 年 12 月 9 日发射，由 NASA 和意大利航天局合作，提供了一种以前从未从太空获取的特殊数据。这一新数据包括 X 射线偏振的测量，这意味着 IXPE 检测构成 X 射线的光波电场的平均方向和强度。由于大气层从太空吸收 X 射线，因此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。
 
“对此类源的首次 X 射线偏振测量首次允许与通过观察其他频率的光（从无线电到极高能伽马射线）开发的模型进行直接比较，”Immacolata Donnarumma 说，意大利航天局 IXPE 项目科学家。“随着当前数据的分析和未来获取更多数据，IXPE 将继续提供新的证据。”
 
这项新研究使用 IXPE 指向 Markarian 501，它是武仙座中的一颗耀变体。这个活跃的黑洞系统位于一个大椭圆星系的中心。

IXPE 在 2022 年 3 月初观察了 Markarian 501 三天，然后在两周后再次观察。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耀变体的信息。虽然其他研究过去曾研究过来自耀变体的低能量光的偏振，但这是科学家们第一次能够对耀变体的 X 射线进行这种观察，这些 X 射线是在离粒子加速源更近的地方发射的。

“将 X 射线偏振添加到我们的无线电、红外和光学偏振武器库中是一个游戏规则的改变者，”波士顿大学的天文学家 Alan Marscher 说，他领导着使用 IXPE 研究巨型黑洞的小组。

科学家发现，X 射线比光学光更偏振，而光学比无线电更偏振。但是偏振光的方向对于观察到的所有波长的光都是相同的，并且也与射流的方向一致。
 
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最符合冲击波加速喷流粒子的场景。当某物的移动速度快于周围物质的声速时，例如超音速喷气式飞机在地球大气层中飞过时，就会产生冲击波。
 
该研究并非旨在调查仍然神秘的冲击波的起源。但科学家们假设，射流中的扰动会导致其中一部分变成超音速。这可能是由射流内的高能粒子碰撞或射流边界处的突然压力变化引起的。

“随着冲击波穿过该区域，磁场变得更强，粒子的能量变得更高，”Marscher 说。“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，它们首先发射 X 射线，因为它们的能量极高。向外移动得更远，穿过离激波位置更远的湍流区域，它们开始失去能量，这导致它们发出能量较低的光，如光波，然后是无线电波。这类似于水流在遇到瀑布后如何变得更加湍流——但在这里，磁场会产生这种湍流。
 
科学家们将继续观察 Markarian 501 耀变体，看看极化是否会随时间发生变化。IXPE 还将在其为期两年的主要任务期间调查更广泛的耀变体集合，探索更多关于宇宙的长期未解之谜。“这是人类在理解自然及其所有异国情调方面取得进步的一部分，”Marscher 说。
 
由 Elizabeth Landau 撰写
美国宇航局总部