藝術家對在活躍的星系核中的天體物理學噴流的印象。

黑洞不發出我們可以探測到的光,它只是喜歡將自己隱藏在光亮中。

事實上,宇宙中一些最亮的光來自超大質量黑洞。但實際上不是黑洞本身,而是它們周圍的物質,因為它們積極地從周圍環境中吸取大量物質。

黑洞與耀變體的關係

在這些熱物質漩渦中,最亮的是被稱為「耀變體」的星系。耀變體和其他活躍星系核一樣,都以物質落入位於寄主星系中央的超大質量黑洞同時產生能量作為其能量的最終產生機制。在引力的作用下,黑洞周圍的氣體、塵埃,有時還包括星體朝黑洞下落,由於具有角動量,物質形成了一個圍繞黑洞的炙熱的吸積盤,並進入黑洞。

科學家們終於弄清楚了從數十億年前到達我們這裡的高能光所產生的機制:黑洞噴流中的衝擊將粒子的速度提高到令人震驚的速度。

芬蘭 ESO (FINCA) 天文學中心的天文學家 Yannis Liodakis 說:「這是一個歷經 40 年之久的謎團,我們終於解決了。我們有了所有的拼圖碎片,而他們所構成的畫面也很清楚。」

宇宙中的大多數星系都是圍繞一個超大質量黑洞形成的。這些令人難以置信的大天體位於星系中心,有時作用很小(如人馬座 A*,位於銀河系中心的黑洞),有時作用很大。

這種活動由吸積物質組成。巨大的雲團在黑洞周圍聚集成一個赤道圓盤,就像水圍繞著排水口一樣環繞著它。在黑洞周圍的極端空間中,摩擦力和引力相互作用會導致這種物質升溫,並在一定波長范圍內發出明亮的光芒。這就是黑洞光的一個來源。

另一個——在耀變體中發揮作用的那個——是從黑洞外的兩極區域發射出來的、與圓盤垂直的雙物質噴流。這些噴流被認為是來自圓盤內緣的物質,它們沒有落向黑洞,而是沿著外部磁場線被加速到兩極,在那里以接近光速的高速發射。

一個星系要被歸類為耀變體,這些噴流必須幾乎直接指向觀察者,也就是在地球上的我們。由於極端的粒子加速,它們在整個電磁波譜中都發出光,包括高能伽馬射線和 X 射線。

 X 射線望遠鏡

幾十年來,這股噴流究竟是如何將粒子加速到如此高的速度的,一直是個巨大的宇宙問題。但現在,2021 年 12 月發射的一個名為成像 X 射線偏振探測器 (IXPE) 的強大新型 X 射線望遠鏡,為科學家們提供了解開這個謎團的鑰匙。它是第一台能顯示 X 射線方向或偏振的太空望遠鏡。

意大利太空總署的天文學家 Immacolata Donnarumma 說:「對此類來源的首次 X 射線偏振測量,是第一次允許與通過觀察其他頻率的光(從無線電到極高能伽馬射線)所建立的模型進行直接比較。」

IXPE 被轉向我們天空中最亮的高能天體,一個名為 Markarian 501 的耀變體,位於 4.6 億光年外的武仙座。在 2022 年 3 月總共六天的時間裡,該望遠鏡收集了有關耀變體噴流所發出的 X 射線數據。

圖片顯示 IXPE 正在探測 Markarian 501,當它遠離衝擊波前緣時,光會損失能量。 (Pablo Garcia/NASA/MSFC)

耀變體未來的研究方向

與此同時,其他天文台也在測量其他波長范圍的光線,從無線電到光學,這是都是以前 Markarian 501 的唯一可用數據。

研究團隊很快注意到 X 射線光的一個奇怪差異,它的方向明顯比低能量波長更加扭曲或偏振,並且光學光比無線電頻率偏振更多。

然而,所有波長的偏振方向都是相同的,並且與噴射流的方向一致。研究團隊發現,這與噴流中的衝擊產生的衝擊波模型是一致的,衝擊波沿著噴射流的長度提供額外的加速度。在最接近衝擊的地方,這種加速度達到最高,產生 X 輻射。沿著射流更遠,粒子失去能量,產生能量較低的光學輻射,接著是具有較低偏振的無線電輻射。

波士頓大學的天文學家 Alan Marscher 說:「隨著衝擊波穿過該區域,磁場變得更強,粒子的能量也變得更高。能量來自於產生衝擊波的物質的運動能量。」

目前尚不清楚是什麼產生了衝擊,但有一種可能的機制是噴流中速度更快的物質追上了移動速度較慢的團塊,從而導致碰撞。未來的研究可能有助於證實這一假設。

由於耀變體是宇宙中最強大的粒子加速器之一,也是了解極端物理學的最佳實驗室之一,因此這項研究代表著這個難題非常重要的一部分。

未來的研究將繼續觀測 Markarian 501,並將 IXPE 轉向其他耀變體,看看是否可以檢測到類似的極化現象。

該研究已發表在 Nature Astronomy 上。

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資料來源:

  1. Starr, M., (26 November 2022). We Finally Know How Black Holes Produce The Most Brilliant Light in The Universe. ScienceAlert
  2. Liodakis, I., Marscher, A. P., Agudo, I., Berdyugin, A. V., Bernardos, M. I., Bonnoli, G.,… Zane, S., (23 November 2022). Polarized blazar X-rays imply particle acceleration in shocks. Nature Astronomy
  3. 圖片來源:https://www.eso.org/public/images/eso1122a/ (ESO/M. Kornmesser)
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