宇宙中充斥著強大的超大質量黑洞，它們會產生強大的高能粒子噴流，在浩瀚的太空中形成極亮的光源。當其中一個噴流直接指向地球時，科學家們就把這個黑洞系統稱為耀星。為了了解噴流中的粒子為何以極快的速度和能量運動，科學家們求助於美國宇航局於2021 年12 月發射的IXPE（成像X 射線極坐標探測器）。這種先進的工具可以測量X 射線光的一種獨特性質，即偏振，它與X 射線頻率下電磁波的排列有關。

來自馬爾卡里安421 星（Markarian 421）的新發現

本週，一個由天體物理學家組成的國際研究小組發表了IXPE 有關一顆名為馬爾卡里安421 星的新發現。該星位於大熊座，距地球約4 億光年，磁場中的螺旋結構是粒子被加速的地方，這一證據令科學家們震驚不已。

新論文的第一作者、意大利航天局天體物理學家勞拉-迪格蘇（Laura Di Gesu）說：”馬卡里亞421是高能天文學家的老朋友。我們確信這顆耀星將是IXPE 的一個值得研究的目標，但它的發現超出了我們的最佳預期，成功證明了X 射線偏振測量法如何豐富了我們探測相對論噴流不同區域複雜磁場幾何和粒子加速的能力。”

最新一期《自然-天文學》雜誌刊登了詳細介紹IXPE 小組在馬爾卡里安421 發現的新研究報告。

藝術家繪製的地球軌道上的IXPE。資料來源：美國國家航空航天局

耀星噴流現象

像馬爾卡里安421 星發射的這種耀星噴流，長度可達數百萬光年。它們之所以特別明亮，是因為當粒子接近光速時，它們會釋放出巨大的能量，並表現出愛因斯坦所預言的怪異行為。藍星噴流之所以更亮，還因為就像救護車的警笛聲越近越響一樣，指向我們的光也顯得更亮。這就解釋了為什麼耀星可以比它們所在星系中的所有恆星都亮。

儘管經過了數十年的研究，但科學家們仍然難以捉摸形成耀星噴流動力學和發射的物理過程。然而，IXPE 的新型X 射線偏振測量法–測量光波電場的平均方向–為研究這些天體、其物理幾何形狀及其發射源提供了無與倫比的視角。

驚人的發現

研究人員的模型通常將強大的噴射流描繪成螺旋狀的螺旋結構，類似於人類DNA 的組織結構。但科學家們沒有想到，螺旋結構會包含被沖擊加速的粒子區域。

IXPE 在2022 年5 月和6 月對馬爾卡里安421 進行的三次長時間觀測中發現了偏振角的驚人變化。

劍橋麻省理工學院研究物理學家赫爾曼-馬歇爾（Herman Marshall）是這篇論文的合著者之一，他說：”我們已經預料到偏振方向可能會發生變化，但根據以往對許多類星體的光學觀測結果，我們認為大的旋轉將是罕見的。因此，我們計劃對這顆藍星進行多次觀測，第一次觀測顯示出15%的恆定偏振”。

他補充說，值得注意的是，對IXPE 偏振數據的初步分析表明，在第一次和第二次觀測之間，偏振似乎降到了零。

馬歇爾說：”然後我們發現，偏振實際上是差不多的，但它的方向卻來了個大轉彎，在兩天內旋轉了近180 度。在一天后開始的第三次觀測中，偏振方向繼續以同樣的速度旋轉，這再次讓我們大吃一驚。”

衝擊波傳播與未來觀測

更奇怪的是，同時進行的光學、紅外線和無線電測量顯示，即使偏振X 射線發射出現偏差，其穩定性或結構也沒有發生任何變化。這表明衝擊波可能是沿著噴流內部的螺旋磁場傳播的。

衝擊波加速噴流粒子的概念與有關馬爾卡里安501 的理論是一致的，馬爾卡里安501 是IXPE 觀測到的第二顆類星體，該理論導致了2022 年底發表的一項研究。但是，它的表親馬爾卡里安421卻顯示出更明顯的證據，表明螺旋磁場對沖擊起了作用。

Di Gesu、Marshall和他們的同事急切地希望對Markarian 421和其他類星體進行進一步觀測，以進一步了解這些噴流波動及其發生的頻率。

Di Gesu 說：”多虧了IXPE，現在是研究天體物理噴流的激動人心的時刻。”