揭开围绕黑洞的一大谜团

　　在宇宙中的上千亿个星系中，大部分星系核心都存在着一个 超大质量黑洞 ，这些黑洞的质量有时可高达太阳质量的数十亿倍。在这些黑洞中，有许多都处于休眠状态，但有些仍然在肆意的成长着，它们会吞噬周围的气体，释放出大量辐射。有时，一些活跃的超大质量黑洞甚至可以从核心发射出强大的粒子喷流，发出明亮的光芒。当喷流指向地球时，我们将这类活动星系核称为耀变体 。
　　耀变体畅想图。（图／JPL-Caltech, NASA）
　　几十年来，围绕耀变体最大的谜团之一便是， 这些喷流中的粒子是如何被加速到如此高的能量的 ？
　　随着技术的发展，目前，NASA的 IXPE （成像X射线偏振探测器） ，已经帮助天文学家向答案更进一步。在一项由一个大型国际合作组完成的新研究中，研究人员发现， 对粒子加速的最佳解释是喷流中的激波 。这解开了一个存在了长达数十年的科学谜团。论文已于近日发表在《自然》上。
　　前所未有的观测
　　2021年12月9日升空的IXPE地球轨道卫星，提供了一种前所未有的特殊数据。由于大气吸收了来自太空的X射线，地球上的望远镜无法获得X射线的光波电场的平均方向和强度等信息，但IXPE则可以进行X射线光的偏振测量。
　　2022年3月，IXPE瞄准了一个位于武仙座的耀变体—— 马卡良501 ，距离地球约4.5亿光年。这个活跃的黑洞系统位于一个大型椭圆星系的中心。
　　马卡良501。（图／Sloan Digital Sky Survey, CC BY）
　　对于磁场如何加速马卡良501的喷流，科学家主要有两种猜想。第一种是，粒子可能被 磁力重联 所推动，也就是磁力线断裂、重组并与附近的其他线连接的现象。类似的过程加速了太阳中的等离子体。
　　如果这就是粒子加速引擎，那么从射电波到X射线，沿喷流所有波长的光的偏振都应该是一样的。
　　另一种想法则是， 激波 将粒子射出。当某些东西的运动速度超过周围物质的音速时，就会产生激波，就像超音速喷气机在地球大气中飞过时那样。在激波处，磁场突然从湍流切换到有序。这一转换可能会让粒子飞走，就像水被喷出水管的喷嘴一样。当粒子离开激波位置时，湍流再次占据主导地位。
　　如果激波是加速的原因，那么短波长的X射线应该比长波长的可见光和射电光偏振得更多。
　　IXPE对马卡良501进行了三天观测，并于两周后再次观测。在这些过程中，天文学家也使用空间和地面的其他望远镜，从光的各个波长 （包括射电波、可见光和X射线等） 收集这个耀变体的信息。
　　虽然其他研究过去也曾观测过来自耀变体低能量光的偏振，但这是科学家 第一次能够从耀变体的X射线上获取这类测量 ，因为X射线是在更接近粒子加速源的地方发射的。
　　研究人员发现， X射线偏振比可见光更强，而可见光偏振又比射电波更强 。但在观测到的所有波长的光中，偏振光的方向是一样的，而且也与喷流的方向一致。
　　这种前所未有的测量，也第一次让科学家可以直接比较这些数据与观测其他频率的光 （从射电到极高能的伽马射线） 所建立的模型。将观测结果与理论模型进行比较后，团队意识到，这些数据与激波加速喷流粒子的情况最为接近 。
　　这项研究没有调查激波的起源，它仍然是个谜。但是科学家假设，喷流的流动中的一处扰动，会导致它的一部分变成超音速。这可能是喷流内部高能粒子的碰撞，或者由喷流边界的突然压力变化造成的。当激波穿过这片区域时，磁场变得更强，粒子的能量也变得更高。能量来自制造激波的物质的运动能量。
　　IXPE观测马卡良501示意图。（图／NASA, Pablo Garcia）
　　当粒子向外运动时，它们首先发射X射线，因为它们能量极高。继续向外移动，穿过离激波位置更远的湍流区域，它们开始失去能量，这导致它们会发射出能量较低的光，比如可见光，然后是射电波。这就好像水流遇到瀑布后变得更加湍急，但在这里，磁场创造了这种湍流。
　　继续观测
　　未来，科学家将继续观测马卡良501耀变体，观察偏振是否会随时间而变化。
　　在IXPE两年的任务期间，它还将调查更广泛的耀变体集合，探索更多关于宇宙的长期之谜。这也是人类在了解自然及其所有奇异现象方面所取得进展的一部分。
　　参考来源：
　　https://www.nasa.gov/feature/nasa-s-ixpe-helps-solve-black-hole-jet-mystery
　　https://www.sciencenews.org/article/black-holes-bright-blazar-space
　　https://www.nature.com/articles/s41586-022-05338-0
　　封面图&首图：JPL-Caltech, NASA