这张美国宇航局的插图显示了黑洞喷流的结构，这是由成像X射线偏振探测器(IXPE)最近对布拉扎马卡里安421的观测推断出来的。喷流由一个吸积盘驱动，显示在图像的底部，随着时间的推移，吸积盘围绕黑洞运行并落入黑洞。螺旋磁场穿过射流。IXPE的观测表明，X射线必定是由螺旋磁场周围的物质产生的冲击波产生的。插图显示的是激波阵面本身。x射线是在离激波阵面最近的白色区域产生的，而光辐射和射电辐射必定来自离激波更远的湍流区域。鸣谢:美国宇航局/巴勃罗·加西亚
据美国宇航局：宇宙中充满了强大的超大质量黑洞，它们产生强大的高能粒子喷流，在浩瀚的太空中创造出极度明亮的光源。当其中一个喷流直接指向地球时，科学家称这个黑洞系统为blazar。
为了理解为什么喷流中的粒子以巨大的速度和能量移动，科学家们期待美国宇航局的IXPE(成像X射线偏振探测器)，它于2021年12月发射。IXPE测量X射线光的一种特殊属性，称为偏振，它与X射线频率下的电磁波组织有关。
本周，一个国际天体物理学家小组发表了来自IXPE的关于一个叫做马卡里安421的黑洞的新发现。这个blazar位于大熊座，距离地球大约4亿光年，让科学家们感到惊讶的是，有证据表明，在粒子被加速的喷流部分，磁场具有螺旋结构。
“马卡里安421是高能天文学家的老朋友，”意大利航天局天体物理学家劳拉·迪·苏格说，她是这篇新论文的主要作者。“我们确信blazar将是IXPE的一个有价值的目标，但它的发现超出了我们的最佳预期，成功地证明了X射线偏振测量如何丰富了我们探索相对论喷流不同区域中复杂磁场几何和粒子加速的能力。”
详细介绍IXPE团队在马卡里安421发现的新研究发表在最新一期的《自然天文学》上。
像马卡里安421发出的光束这样的喷射流长度可以延伸到数百万光年。它们特别明亮，因为当粒子接近光速时，它们会释放出巨大的能量，并以爱因斯坦预测的怪异方式运行。Blazar喷气式飞机格外明亮，因为就像救护车接近时警笛声更大一样，指向我们的光也显得更亮。这就是为什么blazars能够超越他们所在星系的所有恒星。
尽管进行了几十年的研究，科学家们仍然没有完全掌握塑造布拉扎喷流动力学和排放的物理过程。但IXPE开创性的X射线偏振测量法——测量光波电场的平均方向——让他们对这些目标、它们的物理几何形状以及它们的发射来源有了前所未有的了解。
强大喷射流的典型外流的研究模型通常描绘了一种螺旋结构，类似于人类DNA的组织方式。但是科学家们没有预料到螺旋结构会包含被震动加速的粒子区域。
IXPE在2022年5月和6月对马卡里安421的三次长期观测中发现了偏振角的惊人变化。
“我们预计偏振方向可能会改变，但根据以前对许多黑洞的光学观察，我们认为大的旋转很少发生，”剑桥麻省理工学院的研究物理学家赫尔曼·马歇尔说，他也是论文的合著者。"因此，我们计划了几次对布拉扎星的观测，第一次观测显示偏振度恒定在15%."
他补充说，值得注意的是，对IXPE偏振数据的初步分析显示，在第一次和第二次观测之间，偏振数据下降到了零。
“然后，我们认识到，极化实际上是相同的，但它的方向实际上拉了一个U形转弯，在两天内旋转了近180度，”马歇尔说。“然后，在一天后开始的第三次观察中，我们再次惊讶地观察到偏振方向继续以相同的速度旋转。”
更奇怪的是，同时进行的光学、红外和无线电测量显示稳定性或结构没有任何变化——即使当偏振X射线发射偏离时。这意味着冲击波可能沿着喷流内部的螺旋磁场传播。
冲击波加速喷流粒子的概念与马卡里安501的理论一致，这是IXPE观察到的第二个黑洞，导致了2022年底发表的一项研究。但是它的表亲马卡里安421显示了更多螺旋磁场促成震动的明确证据。
迪·苏格、马歇尔和他们的同事渴望对马卡里安421和其他黑洞进行进一步的观察，以了解更多关于这些喷流波动以及它们发生的频率。
“感谢IXPE，这是一个研究天体物理喷流的激动人心的时刻，”迪·苏格说。
IXPE是美国宇航局和意大利航天局与12个国家的合作伙伴和科学合作者的合作项目。IXPE由位于阿拉巴马州亨茨维尔的NASA马歇尔太空飞行中心领导。鲍尔航空航天公司总部设在科罗拉多州布鲁姆菲尔德，与位于博尔德的科罗拉多大学大气和空间物理实验室共同管理航天器的运营。IXPE对马卡里安421的观测得到了美国、法国、日本、西班牙和克里特岛的合作观测站收集的数据的补充。
伊丽莎白·兰道美国宇航局总部
乔纳森交易马歇尔航天飞行中心
