美國國家航空航天局的IXPE揭示了黑洞射流中產生X射線的粒子 _美國

據美國國家航空航天局（貝絲·里奇韋）：blazar BL Lacertae是一個被明亮的圓盤和朝向地球的噴流包圍的超大質量黑洞，它為科學家們提供了一個獨特的機會來回答一個長期存在的問題：在這樣的極端環境中，X射線是如何產生的？
美國國家航空航天局的IXPE（成像X射線偏振探測器）與射電望遠鏡和光學望遠鏡合作尋找答案。結果（預印本可在此處獲得）將發表在《天體物理學雜志快報》上，表明快速移動的電子和光粒子（稱為光子）之間的相互作用必然會導致這種X射線發射。

這位藝術家的概念描繪了blazar BL Lacertae的中心區域，這是一個被明亮的圓盤和朝向地球的噴流包圍的超大質量黑洞。星系的中心黑洞被各種色調的橙色漩渦包圍著，這些漩渦代表了朝向黑洞的物質吸積盤。雖然黑洞以吸引物質而聞名，但這種吸積過程會導致電子以接近光速的速度噴射出來。物質射流由從黑洞中心開始并在到達圖像底部時變寬的光錐表示。它上面有白色、粉色和紫色的條紋，代表螺旋形磁場。我們可以在許多波長的光中觀察到這些射流，包括無線電、光學和X射線。美國國家航空航天局的成像X射線偏振探測器（IXPE）最近與射電望遠鏡和光學望遠鏡合作，觀測了這股噴流，并確定了X射線是如何在這些類型的天體環境中產生的。圖像：美國國家航空航天局/巴勃羅·加西亞
科學家們對X射線有兩種相互競爭的可能解釋，一種涉及質子，另一種涉及電子。每種機制在X射線的偏振中都有不同的特征。偏振是光的一種特性，描述了組成光的電磁波的平均方向。
如果黑洞射流中的X射線是高度極化的，這意味著X射線是由在射流磁場中旋轉的質子或與射流光子相互作用的質子產生的。如果X射線的偏振度較低，則表明電子-光子相互作用會導致X射線的產生。
2021年12月9日發射的IXPE是目前唯一一顆能夠進行這種偏振測量的衛星。
“這是關于超大質量黑洞噴流的最大謎團之一，”該研究的主要作者、西班牙安達魯西亞天文研究所的天文學家Iván Agudo說。“IXPE在許多地面望遠鏡的幫助下，終于為我們提供了解決這個問題的工具。”
天文學家發現，電子一定是康普頓散射過程的罪魁禍首。當光子與帶電粒子（通常是電子）相互作用后失去或獲得能量時，就會發生康普頓散射（或康普頓效應）。在超大質量黑洞的噴流中，電子以接近光速的速度移動。IXPE幫助科學家們了解到，在耀變體噴流的情況下，電子有足夠的能量散射高達X射線波長的紅外光光子。
BL Lacertae（簡稱BL Lac）是迄今為止發現的最早的耀變體之一，最初被認為是Lacerta星座中的一顆變星。IXPE在2023年11月底對BL Lac進行了為期七天的觀測，同時使用了幾臺地面望遠鏡測量光學和無線電偏振。雖然IXPE過去觀察過BL Lac，但這次觀察很特別。巧合的是，在X射線偏振觀測期間， BL Lac的光學偏振達到了一個很高的數字：47.5% 。
“這不僅是過去30年來最極化的BL Lac，也是迄今為止觀測到的最極化的blazar！”該研究的主要作者之一、希臘FORTH天體物理研究所的天體物理學家Ioannis Liodakis說。
IXPE發現X射線的偏振度遠低于光學光。該團隊無法測量到強烈的偏振信號，并確定X射線的偏振度不能超過7.6% 。這證明了通過康普頓效應與光子相互作用的電子必須解釋X射線。
IXPE項目科學家、馬歇爾航天飛行中心天文學家史蒂文·埃勒特說：“光偏振比X射線高得多的事實只能用康普頓散射來解釋。” 。
“IXPE已經設法解決了另一個黑洞之謎，”羅馬國家天文研究所的天體物理學家Enrico Costa說。Costa是10年前在IXPE的第一位首席研究員Martin Weisskopf的領導下構思并向美國國家航空航天局提出這項實驗的科學家之一。“IXPE的偏振X射線視覺解決了幾個長期存在的謎團，這是最重要的謎團之一。在其他一些情況下， IXPE的結果挑戰了公認的觀點，揭開了新的謎團，但這就是科學的運作方式，當然，IXPE在科學方面做得很好。”
blazar研究的下一步是什么？
埃勒特說：“我們想做的一件事是盡可能多地找到這些。” 。“Blazars會隨著時間的推移而發生很大變化，充滿了驚喜。”
關于IXPE
IXPE繼續提供前所未有的數據，使人們能夠對宇宙中的天體進行突破性的發現，這是美國國家航空航天局和意大利航天局與12個國家的合作伙伴和科學合作者的聯合任務。IXPE由位于阿拉巴馬州亨茨維爾的美國國家航空航天局馬歇爾太空飛行中心領導。BAE系統股份有限公司總部位于弗吉尼亞州福爾斯徹奇，與科羅拉多大學博爾德分校大氣和空間物理實驗室共同管理航天器運行。