黑洞为何发出明亮的光？中外科学家揭开宇宙最强粒子加速器之谜

示意图：耀变体喷流（blazar jets）。来自Nature

黑洞如何产生了明亮的光？耀变体是一类特殊的活动星系核：其星系中心被认为存在超大质量的黑洞；它向地球方向喷射着接近光速飞行的磁化等离子体流——耀变体喷流（blazar jets），后者被认为是整个宇宙中最强的粒子加速器之一；其闪耀的光可高达1000亿个太阳的亮度。大多数来自耀变体的光，都是由其喷流中能量最高可达1TeV（10^12eV)的高能粒子产生。尽管人们已经知道，其喷流的能量最终来自星系中心的超大质量黑洞，但其粒子是如何被加速到如此高的能量，一直是个谜。通过对其X射线波段偏振情况的观测、研究，科学家们试图揭开上述粒子加速机制之谜。11月24日凌晨，国际学术期刊《自然》（Nature）在线发表的一篇论文，根据对耀变体马卡良501（Mrk501）在2022年3月初和3月底两次观测的结果，给出了推测：超大质量黑洞喷射的超快粒子流产生的辐射表明，这些粒子是被喷流向外传播的激波加速的。这一发现，或将有助于人们更多地理解黑洞系统的高能辐射过程。上述论文的标题是《偏振的耀变体X射线暗示粒子被激波加速》（Polarized blazar X-rays imply particle acceleration in shocks）。论文的通讯作者是芬兰图尔库大学、欧洲南方天文台 (ESO)芬兰天文中心的扬尼斯·利奥达基斯（Ioannis Liodakis）。包括广西大学物理科学与工程技术学院、广西相对论天体物理重点实验室副教授谢斐在内，该论文的署名作者一共达124位黑洞被认为是宇宙中最极端的超级天体。它贪婪地吞噬着周围几乎所有的东西，难以被直接观测到。上述研究结果展示了如何使用不同偏振测量方法探测超大质量黑洞系统的状况。11月23日，未参与上述研究的上海交通大学物理与天文学院长聘教轨副教授、李政道研究所天文与天体物理研究部李政道学者水野阳介（Yosuke Mizuno）告诉澎湃新闻（www.thepaper.cn），X射线偏振其实很难检测。但专门用于观测X射线偏振情况的新卫星X射线成像偏振探测器（IXPE），能够对X射线的线性偏振和偏振角进行非常精确地测量。上述论文展示了非常有趣的结果：耀变体马卡良501（Mrk501）的相对论喷流在X射线波段的线偏振在10%左右，比其光学波段的值高2倍。这一结果暗示了其相对论喷流中的粒子加速机制。据澎湃新闻此前报道，2021年12月9日，SpaceX猎鹰9号火箭在佛罗里达州肯尼迪航天中心为美国国家航空航天局（NASA）发射了X射线成像偏振探测器（IXPE）。该探测器会对入射的X射线成像，并测量偏振参数。IXPE首席研究员Martin Weisskopf称，“IXPE将告诉我们更多关于宇宙X射线源的精确性质，而不是仅通过研究它们的亮度和光谱来了解它们。”X射线是一种高能光，其波长非常短，由于地球大气层的阻挡，来自宇宙天体的X射线只能通过太空望远镜来观测。水野阳介向澎湃新闻进一步解释说，耀变体的相对论喷流是从黑洞附近以相对论速度（接近光速的速度）发射出的准直等离子体流。它由完全电离的气体组成，但其具体成分目前仍未确定，人们在争论它是电子-离子，还是电子-正电子。水野阳介表示，在相对论喷流中，可见光和X射线都来自同一个辐射过程——同步辐射。它是粒子被加速后的非热辐射过程。通过比较不同频率之间的偏振度，人们可以探究其发射位点和粒子加速机制。而偏振跟发射点的局部磁场结构有关。如果其磁场是有序的，那么偏振度会变得更高。如果磁场强烈缠结（湍流），那么偏振度会变小。

IXPE正在观测马卡良501耀变体。喷流中的高能粒子（蓝色）撞上冲击波（激波，白色）时，粒子会带上能量，并在加速时发出X射线。图片来自Pablo Garcia（NASA马歇尔太空飞行中心）

喷流中的粒子为什么会被激波加速？水野阳介表示，物质和能量的间歇注入，给喷流的基部（喷流形成部位）带来了扰动。扰动在喷流下游传播过程中，它变成激波，随后成为平流。粒子是通过所谓的费米加速机制被加速，即粒子与振荡的“墙壁”碰撞而加速：因磁镜效应，带电粒子在激波之间被反复反射而被加速。水野阳介说，考虑一下带电粒子穿过激波的情景。如果它在移动变化的磁场中被碰撞，它会以更大的速度被反射回来，比如从下游到上游。这样多次的反射大大增加了其能量。“宇宙两千亿个星系中绝大部分星系的中心都存在着巨大的黑洞——10亿个太阳那么大的黑洞。很多在休眠，但一些在生长。”美国耶鲁大学天文学系、美国宇航局爱因斯坦博士后研究员莉亚·马尔科图莉（Lea Marcotulli）发表评论，上述最新发表的论文中的结果是人们理解耀变体的一个转折点，“现在，X射线偏振使我们能够研究数个此类喷流，来理解这类激波是否常见于所有来源。”此外，她写道，耀变体喷流（blazar jets）是整个宇宙中最强的粒子加速器之一，提供了一种无法在地球上实现的“实验室”。除了喷流中的粒子加速机制问题，水野阳介感兴趣的另一问题是“喷流发射位置的磁场情况”。中国学者也在耀变体研究领域不断取得新成果。据中国科学院官网消息，2020年1月3日，国际天体物理学杂志The Astrophysical Journal 在线发表了中国科学院云南天文台博士研究生封海成、研究员刘洪涛与合作者的研究成果。该研究依托丽江天文观测站2.4米望远镜，通过观测耀变体准同时性光谱变化及测光光变，开展了耀变体光变与颜色变化的相关性研究。光谱和测光观测都发现了变亮变蓝（BWB）现象，并且颜色与亮度、颜色变化率与亮度变化率之间强相关，颜色变化比亮度变化超前。这些新发现可以使人们更好地理解耀变体中的辐射机制及光变机制。中国科学院上海天文台官网2018年11月3日发布消息称，有一类超大质量黑洞正处于活跃状态，吞噬着周围的物质，形成一个腰带（吸积盘），发出明亮的光，这类超大质量黑洞被称作活动星系核。研究表明，它们当中有10%会在近乎垂直于腰带的方向喷出物质和能量，喷出的速度接近光速。当喷流方向是朝向我们时，由于相对论效应，喷流出的光通常比整个星系还要强，这类活动星系核被称为耀变体。中国科学院上海天文台由王仲翔研究员领导的研究团组，发现了一个编号为PKS 2247-131的耀变体发出的伽马射线辐射在规律性地变亮变暗，每一个多月变化一次。这是当时为止费米卫星观测到的唯一一次周期为月级的准周期振荡事例。其论文被国际学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）接收、发表。