我们逐渐揭示黑洞如何在宇宙中释放出最耀眼的光芒

艺术家对从活跃的星系核中喷出的天体物理学喷流的印象。(ESO/M. Kornmesser)对于不发出我们可以检测到的光的东西，黑洞只是喜欢将自己隐藏在光辉中。事实上，宇宙中一些最亮的光来自超大质量黑洞。好吧，实际上不是黑洞本身；这是他们周围的物质，因为他们积极地从周围环境中吸取大量物质。在这些旋转的热物质漩涡中，最亮的是被称为耀变体的星系。它们不仅会因旋转外套的热量而发光，而且还会将物质引导成“炽热”的光束，在宇宙中放大，以难以理解的能量释放电磁辐射。科学家们终于弄清楚了产生数十亿年前到达我们这里的令人难以置信的高能光的机制：黑洞喷流中的冲击将粒子的速度提高到惊人的速度。“这是一个我们已经解开的 40 年之谜，”芬兰 ESO (FINCA) 天文学中心的天文学家 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。”宇宙中的大多数星系都围绕着一个超大质量黑洞而建。这些令人难以置信的大天体位于银河系中心，有时作用很小（如人马座 A*，银河系中心的黑洞），有时作用很大。该活动由吸积材料组成。一团巨大的云在黑洞周围聚集成一个赤道圆盘，就像水围绕着排水沟一样环绕着它。在黑洞周围的极端空间中，摩擦力和引力相互作用会导致这种材料升温，并在一定波长范围内发出明亮的光芒。那是黑洞光的一个来源。另一个——在耀变体中发挥作用的那个——是从黑洞外的极地区域发射的双物质射流，垂直于圆盘。这些射流被认为是来自圆盘内缘的物质，它们不会落向黑洞，而是沿着外部磁场线加速到两极，在那里以接近光速的非常高的速度发射.对于一个被归类为耀变体的星系，这些喷流必须几乎直接指向观察者。那就是我们，在地球上。由于极端的粒子加速，它们在整个电磁波谱中发出光，包括高能伽马射线和 X 射线。几十年来，这股射流究竟如何将粒子加速到如此高的速度一直是一个巨大的宇宙问号。但现在，2021 年 12 月发射的名为成像 X 射线偏振探测器 (IXPE) 的强大新型 X 射线望远镜为科学家们提供了解开谜团的钥匙。它是第一台揭示 X 射线方向或偏振的太空望远镜。“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，”天文学家 Immacolata Donnarumma 说。意大利航天局。IXPE 转向我们天空中最亮的高能物体，一个名为 Markarian 501 的耀变体，位于 4.6 亿光年外的武仙座。在 2022 年 3 月总共六天的时间里，望远镜收集了有关耀变体喷流发出的 X 射线的数据。

插图显示 IXPE 正在观察 Markarian 501，当它远离激波前缘时，光会损失能量。（巴勃罗·加西亚/美国航天局/MSFC）

与此同时，其他天文台正在测量其他波长范围的光，从无线电到光学，这是以前可用于 Markarian 501 的唯一数据。该团队很快注意到 X 射线光的奇怪差异。与低能量波长相比，它的方向明显更加扭曲或极化。并且光学光比无线电频率更加偏振。然而，偏振方向对于所有波长都是相同的，并且与射流的方向一致。研究小组发现，这与喷气机中的冲击产生冲击波的模型是一致的，冲击波沿着喷气机的长度提供额外的加速度。最接近冲击时，这种加速度达到最高，产生 X 辐射。沿着射流更远，粒子失去能量，产生较低能量的光学和无线电发射，具有较低的偏振。“随着冲击波穿过该区域，磁场变得更强，粒子的能量也变得更高，”波士顿大学的天文学家 Alan Marscher 说。“能量来自产生冲击波的材料的运动能量。”目前尚不清楚是什么产生了冲击，但一种可能的机制是射流中速度更快的物质追上移动速度较慢的团块，从而导致碰撞。未来的研究可能有助于证实这一假设。由于耀变体是宇宙中最强大的粒子加速器之一，也是理解极端物理学的最佳实验室之一，因此这项研究标志着这个难题的一个非常重要的部分。未来的研究将继续观测 Markarian 501，并将 IXPE 转向其他耀变体，看看是否可以检测到类似的极化。该研究已发表在《自然天文学》上。