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40年后,我们终于知道为何耀变体令人难以置信的明亮和高能

或许有点反讽的意味:宇宙中最亮的光来自超大质量黑洞。好吧,准确说不是来自黑洞本身;是它们四周的物质。

最明亮的天体系统是被称为耀变体的星系。耀变体是一种向地球方向释放出强大电离物质喷流的星系,密度极高的高变能量源,被假定为是处于寄主星系中央的超大质量黑洞。

科学家现在终于弄清了,令人难以置信的高能辐射的机制:黑洞喷流中的冲击将粒子的速度提高到了惊人的程度。

“我们解开了一个持续了40年的谜团。”ESO 芬兰天文学中心 (FINCA) 的天文学家 Yannis Liodakis 说。“我们终于凑齐了所有的拼图。”

宇宙中的大多数星系都是围绕着一个超大质量黑洞而成。令人难以置信的天体位于星系中心,有时很低调(如人马座 A*,银河系中心的黑洞),有时却影响显著。

一个是由吸积材料引发的光。巨大的气态物质团在黑洞周围聚集成盘,物质像水池里水盘旋着流入下水道一样落入黑洞之中。在黑洞周围的极端环境中,摩擦和引力的相互作用导致物质升温并在一系列波长范围内发出明亮的电磁波。这是黑洞光的来源之一。

另一个——在耀变体中发挥作用的那个——是从黑洞外的极域发射的双物质射流,垂直于圆盘。这些喷流被认为是来自圆盘内缘的物质,它们不是落向黑洞,而是沿着外部磁场线加速到两极,在那里以非常高的速度发射出去,接近光速.

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——也就是地球上的我们。由于极端的粒子加速,它们在整个电磁光谱中闪耀着光芒,包括高能伽马射线和 X 射线。

几十年来,喷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 射线偏振探测仪 (IXPE) 的强大新型 X 射线望远镜为科学家们提供了钥匙。这是第一台揭示 X 射线方向或偏振的太空望远镜。

“此类源的首次X射线偏振测量首次允许与观察其他光频率(从无线电到极高能伽马射线)开发的模型进行直接比较。”意大利航天局的天文学家 Immacolata Donnarumma 说。

名为 Markarian 501 的耀变体,变成了我们天空中最亮的高能天体,它位于 4.6 亿光年外的大力神星座中。在 2022 年 3 月的六天时间里,望远镜收集了耀变体喷流发出的 X 射线的数据。

与此同时,其他天文台正在测量其他波长范围的电磁波,从无线电到可见光,这是以前可用于研究 Markarian 501 的唯一数据。

研究人员很快注意到 X 射线光的奇怪差异。它的方向明显比低能量波长更扭曲或极化。并且光学光比无线电频率更具偏振性。

然而,所有波长的偏振方向都是相同的,并且与射流的方向一致。研究人员发现,这与喷流冲击产生冲击波的模型一致,这些冲击波沿喷流方向提供额外的加速度。最接近冲击时,这种加速度处于最高水平,产生了X辐射。沿着射流更远,粒子失去能量,产生较低能量的光子,然后是无线电射频。

“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喷流中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检验这一假说。

由于耀变体是宇宙中最强大的粒子加速器之一,并且是了解极端物理学的最佳实验室之一,这项研究标志着人类的研究能力又上了一个台阶。

未来将继续观察 Markarian 501,并会将IXPE转向其他耀变体,看看是否可以检测到类似的变化。

该研究已发表在《自然天文学》上。

https://www.sciencealert.com/we-finally-know-how-black-holes-produce-the-most-brilliant-light-in-the-universe

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