黑洞如何產(chǎn)生了明亮的光？
耀變體是一類(lèi)特殊的活動(dòng)星系核：其星系中心被認(rèn)為存在超大質(zhì)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(rèn)為是整個(gè)宇宙中最強(qiáng)的粒子加速器之一；其閃耀的光可高達(dá)1000億個(gè)太陽(yáng)的亮度。
大多數(shù)來(lái)自耀變體的光，都是由其噴流中能量最高可達(dá)1TeV（10^12eV)的高能粒子產(chǎn)生。盡管人們已經(jīng)知道，其噴流的能量最終來(lái)自星系中心的超大質(zhì)量黑洞，但其粒子是如何被加速到如此高的能量，一直是個(gè)謎。
【資料圖】
通過(guò)對(duì)其X射線波段偏振情況的觀測(cè)、研究，科學(xué)家們?cè)噲D揭開(kāi)上述粒子加速機(jī)制之謎。
11月24日凌晨，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）在線發(fā)表的一篇論文，根據(jù)對(duì)耀變體馬卡良501（Mrk501）在2022年3月初和3月底兩次觀測(cè)的結(jié)果，給出了推測(cè)：超大質(zhì)量黑洞噴射的超快粒子流產(chǎn)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?qū)⒂兄谌藗兏嗟乩斫夂诙聪到y(tǒng)的高能輻射過(guò)程。
上述論文的標(biāo)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(kù)大學(xué)、歐洲南方天文臺(tái) (ESO)芬蘭天文中心的揚(yáng)尼斯·利奧達(dá)基斯（Ioannis Liodakis）。包括廣西大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院、廣西相對(duì)論天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副教授謝斐在內(nèi)，該論文的署名作者一共達(dá)124位。
黑洞被認(rèn)為是宇宙中最極端的超級(jí)天體。它貪婪地吞噬著周?chē)鷰缀跛械臇|西，難以被直接觀測(cè)到。上述研究結(jié)果展示了如何使用不同偏振測(cè)量方法探測(cè)超大質(zhì)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(xué)物理與天文學(xué)院長(zhǎng)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(xué)者水野陽(yáng)介（Yosuke Mizuno）告訴澎湃新聞（www.thepaper.cn），X射線偏振其實(shí)很難檢測(cè)。但專(zhuān)門(mén)用于觀測(cè)X射線偏振情況的新衛(wèi)星X射線成像偏振探測(cè)器（IXPE），能夠?qū)射線的線性偏振和偏振角進(jìn)行非常精確地測(cè)量。上述論文展示了非常有趣的結(jié)果：耀變體馬卡良501（Mrk501）的相對(duì)論噴流在X射線波段的線偏振在10%左右，比其光學(xué)波段的值高2倍。這一結(jié)果暗示了其相對(duì)論噴流中的粒子加速機(jī)制。
據(jù)澎湃新聞此前報(bào)道，2021年12月9日，SpaceX獵鷹9號(hào)火箭在佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心為美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）發(fā)射了X射線成像偏振探測(cè)器（IXPE）。該探測(cè)器會(huì)對(duì)入射的X射線成像，并測(cè)量偏振參數(shù)。IXPE首席研究員Martin Weisskopf稱(chēng)，“IXPE將告訴我們更多關(guān)于宇宙X射線源的精確性質(zhì)，而不是僅通過(guò)研究它們的亮度和光譜來(lái)了解它們。”X射線是一種高能光，其波長(zhǎng)非常短，由于地球大氣層的阻擋，來(lái)自宇宙天體的X射線只能通過(guò)太空望遠(yuǎn)鏡來(lái)觀測(cè)。
水野陽(yáng)介向澎湃新聞進(jìn)一步解釋說(shuō)，耀變體的相對(duì)論噴流是從黑洞附近以相對(duì)論速度（接近光速的速度）發(fā)射出的準(zhǔn)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?cè)跔?zhēng)論它是電子-離子，還是電子-正電子。
水野陽(yáng)介表示，在相對(duì)論噴流中，可見(jiàn)光和X射線都來(lái)自同一個(gè)輻射過(guò)程——同步輻射。它是粒子被加速后的非熱輻射過(guò)程。通過(guò)比較不同頻率之間的偏振度，人們可以探究其發(fā)射位點(diǎn)和粒子加速機(jī)制。而偏振跟發(fā)射點(diǎn)的局部磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)有關(guān)。如果其磁場(chǎng)是有序的，那么偏振度會(huì)變得更高。如果磁場(chǎng)強(qiáng)烈纏結(jié)（湍流），那么偏振度會(huì)變小。
噴流中的粒子為什么會(huì)被激波加速？
水野陽(yáng)介表示，物質(zhì)和能量的間歇注入，給噴流的基部（噴流形成部位）帶來(lái)了擾動(dòng)。擾動(dòng)在噴流下游傳播過(guò)程中，它變成激波，隨后成為平流。粒子是通過(guò)所謂的費(fèi)米加速機(jī)制被加速，即粒子與振蕩的“墻壁”碰撞而加速：因磁鏡效應(yīng)，帶電粒子在激波之間被反復(fù)反射而被加速。
水野陽(yáng)介說(shuō)，考慮一下帶電粒子穿過(guò)激波的情景。如果它在移動(dòng)變化的磁場(chǎng)中被碰撞，它會(huì)以更大的速度被反射回來(lái)，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(gè)星系中絕大部分星系的中心都存在著巨大的黑洞——10億個(gè)太陽(yáng)那么大的黑洞。很多在休眠，但一些在生長(zhǎng)。”美國(guó)耶魯大學(xué)天文學(xué)系、美國(guó)宇航局愛(ài)因斯坦博士后研究員莉亞·馬爾科圖莉（Lea Marcotulli）發(fā)表評(píng)論，上述最新發(fā)表的論文中的結(jié)果是人們理解耀變體的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，“現(xiàn)在，X射線偏振使我們能夠研究數(shù)個(gè)此類(lèi)噴流，來(lái)理解這類(lèi)激波是否常見(jiàn)于所有來(lái)源。”
此外，她寫(xiě)道，耀變體噴流（blazar jets）是整個(gè)宇宙中最強(qiáng)的粒子加速器之一，提供了一種無(wú)法在地球上實(shí)現(xiàn)的“實(shí)驗(yàn)室”。
除了噴流中的粒子加速機(jī)制問(wèn)題，水野陽(yáng)介感興趣的另一問(wèn)題是“噴流發(fā)射位置的磁場(chǎng)情況”。
中國(guó)學(xué)者也在耀變體研究領(lǐng)域不斷取得新成果。
據(jù)中國(guó)科學(xué)院官網(wǎng)消息，2020年1月3日，國(guó)際天體物理學(xué)雜志The Astrophysical Journal 在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)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(cè)站2.4米望遠(yuǎn)鏡，通過(guò)觀測(cè)耀變體準(zhǔn)同時(shí)性光譜變化及測(cè)光光變，開(kāi)展了耀變體光變與顏色變化的相關(guān)性研究。光譜和測(cè)光觀測(cè)都發(fā)現(xiàn)了變亮變藍(lán)（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(qiáng)相關(guān)，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(jī)制及光變機(jī)制。
中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)官網(wǎng)2018年11月3日發(fā)布消息稱(chēng)，有一類(lèi)超大質(zhì)量黑洞正處于活躍狀態(tài)，吞噬著周?chē)奈镔|(zhì)，形成一個(gè)腰帶（吸積盤(pán)），發(fā)出明亮的光，這類(lèi)超大質(zhì)量黑洞被稱(chēng)作活動(dòng)星系核。研究表明，它們當(dāng)中有10%會(huì)在近乎垂直于腰帶的方向噴出物質(zhì)和能量，噴出的速度接近光速。當(dāng)噴流方向是朝向我們時(shí)，由于相對(duì)論效應(yīng)，噴流出的光通常比整個(gè)星系還要強(qiáng)，這類(lèi)活動(dòng)星系核被稱(chēng)為耀變體。中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)由王仲翔研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)組，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)編號(hào)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(gè)多月變化一次。這是當(dāng)時(shí)為止費(fèi)米衛(wèi)星觀測(cè)到的唯一一次周期為月級(jí)的準(zhǔn)周期振蕩事例。其論文被國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》（Nature Communications）接收、發(fā)表。
標(biāo)簽： 宇宙最強(qiáng)粒子
