黑洞如何產生了明亮的光？

耀變體是一類特殊的活動星系核：其星系中心被認為存在超大質量的黑洞；它向地球方向噴射著接近光速飛行的磁化等離子體流——耀變體噴流（blazar jets），后者被認為是整個宇宙中最強的粒子加速器之一；其閃耀的光可高達1000億個太陽的亮度。

大多數(shù)來自耀變體的光，都是由其噴流中能量最高可達1TeV（10^12eV)的高能粒子產生。盡管人們已經知道，其噴流的能量最終來自星系中心的超大質量黑洞，但其粒子是如何被加速到如此高的能量，一直是個謎。

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通過對其X射線波段偏振情況的觀測、研究，科學家們試圖揭開上述粒子加速機制之謎。

11月24日凌晨，國際學術期刊《自然》（Nature）在線發(fā)表的一篇論文，根據(jù)對耀變體馬卡良501（Mrk501）在2022年3月初和3月底兩次觀測的結果，給出了推測：超大質量黑洞噴射的超快粒子流產生的輻射表明，這些粒子是被噴流向外傳播的激波加速的。

這一發(fā)現(xiàn)，或將有助于人們更多地理解黑洞系統(tǒng)的高能輻射過程。

上述論文的標題是《偏振的耀變體X射線暗示粒子被激波加速》（Polarized blazar X-rays imply particle acceleration in shocks）。

論文的通訊作者是芬蘭圖爾庫大學、歐洲南方天文臺 (ESO)芬蘭天文中心的揚尼斯·利奧達基斯（Ioannis Liodakis）。包括廣西大學物理科學與工程技術學院、廣西相對論天體物理重點實驗室副教授謝斐在內，該論文的署名作者一共達124位。

黑洞被認為是宇宙中最極端的超級天體。它貪婪地吞噬著周圍幾乎所有的東西，難以被直接觀測到。上述研究結果展示了如何使用不同偏振測量方法探測超大質量黑洞系統(tǒng)的狀況。

11月23日，未參與上述研究的上海交通大學物理與天文學院長聘教軌副教授、李政道研究所天文與天體物理研究部李政道學者水野陽介（Yosuke Mizuno）告訴澎湃新聞（www.thepaper.cn），X射線偏振其實很難檢測。但專門用于觀測X射線偏振情況的新衛(wèi)星X射線成像偏振探測器（IXPE），能夠對X射線的線性偏振和偏振角進行非常精確地測量。上述論文展示了非常有趣的結果：耀變體馬卡良501（Mrk501）的相對論噴流在X射線波段的線偏振在10%左右，比其光學波段的值高2倍。這一結果暗示了其相對論噴流中的粒子加速機制。

據(jù)澎湃新聞此前報道，2021年12月9日，SpaceX獵鷹9號火箭在佛羅里達州肯尼迪航天中心為美國國家航空航天局（NASA）發(fā)射了X射線成像偏振探測器（IXPE）。該探測器會對入射的X射線成像，并測量偏振參數(shù)。IXPE首席研究員Martin Weisskopf稱，“IXPE將告訴我們更多關于宇宙X射線源的精確性質，而不是僅通過研究它們的亮度和光譜來了解它們。”X射線是一種高能光，其波長非常短，由于地球大氣層的阻擋，來自宇宙天體的X射線只能通過太空望遠鏡來觀測。

水野陽介向澎湃新聞進一步解釋說，耀變體的相對論噴流是從黑洞附近以相對論速度（接近光速的速度）發(fā)射出的準直等離子體流。它由完全電離的氣體組成，但其具體成分目前仍未確定，人們在爭論它是電子-離子，還是電子-正電子。

水野陽介表示，在相對論噴流中，可見光和X射線都來自同一個輻射過程——同步輻射。它是粒子被加速后的非熱輻射過程。通過比較不同頻率之間的偏振度，人們可以探究其發(fā)射位點和粒子加速機制。而偏振跟發(fā)射點的局部磁場結構有關。如果其磁場是有序的，那么偏振度會變得更高。如果磁場強烈纏結（湍流），那么偏振度會變小。

噴流中的粒子為什么會被激波加速？

水野陽介表示，物質和能量的間歇注入，給噴流的基部（噴流形成部位）帶來了擾動。擾動在噴流下游傳播過程中，它變成激波，隨后成為平流。粒子是通過所謂的費米加速機制被加速，即粒子與振蕩的“墻壁”碰撞而加速：因磁鏡效應，帶電粒子在激波之間被反復反射而被加速。

水野陽介說，考慮一下帶電粒子穿過激波的情景。如果它在移動變化的磁場中被碰撞，它會以更大的速度被反射回來，比如從下游到上游。這樣多次的反射大大增加了其能量。

“宇宙兩千億個星系中絕大部分星系的中心都存在著巨大的黑洞——10億個太陽那么大的黑洞。很多在休眠，但一些在生長。”美國耶魯大學天文學系、美國宇航局愛因斯坦博士后研究員莉亞·馬爾科圖莉（Lea Marcotulli）發(fā)表評論，上述最新發(fā)表的論文中的結果是人們理解耀變體的一個轉折點，“現(xiàn)在，X射線偏振使我們能夠研究數(shù)個此類噴流，來理解這類激波是否常見于所有來源。”

此外，她寫道，耀變體噴流（blazar jets）是整個宇宙中最強的粒子加速器之一，提供了一種無法在地球上實現(xiàn)的“實驗室”。

除了噴流中的粒子加速機制問題，水野陽介感興趣的另一問題是“噴流發(fā)射位置的磁場情況”。

中國學者也在耀變體研究領域不斷取得新成果。

據(jù)中國科學院官網消息，2020年1月3日，國際天體物理學雜志The Astrophysical Journal 在線發(fā)表了中國科學院云南天文臺博士研究生封海成、研究員劉洪濤與合作者的研究成果。該研究依托麗江天文觀測站2.4米望遠鏡，通過觀測耀變體準同時性光譜變化及測光光變，開展了耀變體光變與顏色變化的相關性研究。光譜和測光觀測都發(fā)現(xiàn)了變亮變藍（BWB）現(xiàn)象，并且顏色與亮度、顏色變化率與亮度變化率之間強相關，顏色變化比亮度變化超前。這些新發(fā)現(xiàn)可以使人們更好地理解耀變體中的輻射機制及光變機制。

中國科學院上海天文臺官網2018年11月3日發(fā)布消息稱，有一類超大質量黑洞正處于活躍狀態(tài)，吞噬著周圍的物質，形成一個腰帶（吸積盤），發(fā)出明亮的光，這類超大質量黑洞被稱作活動星系核。研究表明，它們當中有10%會在近乎垂直于腰帶的方向噴出物質和能量，噴出的速度接近光速。當噴流方向是朝向我們時，由于相對論效應，噴流出的光通常比整個星系還要強，這類活動星系核被稱為耀變體。中國科學院上海天文臺由王仲翔研究員領導的研究團組，發(fā)現(xiàn)了一個編號為PKS 2247-131的耀變體發(fā)出的伽馬射線輻射在規(guī)律性地變亮變暗，每一個多月變化一次。這是當時為止費米衛(wèi)星觀測到的唯一一次周期為月級的準周期振蕩事例。其論文被國際學術期刊《自然·通訊》（Nature Communications）接收、發(fā)表。

標簽： 宇宙最強粒子