美國國家航空暨太空總署（NASA）的IXPE任務利用微類星體SS 433作為案例研究，揭示了其噴流中排列整齊的磁場，從而改變了我們對黑洞中粒子加速的理解。黑洞的強大重力場可以吞噬整個星球的物質–它們經常如此猛烈地將接近光速的粒子流以噴流的形式排出。科學家知道，這些高速噴流可以加速這些被稱為宇宙射線的粒子，但對這個過程知之甚少。

這張海牛星雲的合成圖捕捉了SS 433 噴出的噴流，SS 433 是一個黑洞，它正在吞噬產生它的超新星殘餘物中的物質。利用IXPE 太空船資料進行的新研究，特別是透過對微類星體SS 433 的研究，揭示了黑洞的粒子加速現象。這項工作揭示了噴流內的磁場與它們的運動是一致的，這與先前的理論相矛盾，增強了我們對這種宇宙現象的理解。

研究人員利用美國國家航空暨太空總署（NASA）的IXPE（X射線極坐標成像探測器）太空船的數據得出的最新發現，為科學家們提供了粒子加速如何在這種極端環境中發生的新線索。這些觀測資料來自一顆”微類星體”，這是一個由黑洞從伴星虹吸物質組成的系統。

近距離觀察SS 433

這顆微類星體（Stephenson and Sanduleak 433，簡稱SS 433）位於天鷹座超新星殘餘物W50 的中心，距離地球約1.8 萬光年。SS 433強大的噴流扭曲了殘餘物的形狀，並為它贏得了”海牛星雲”的綽號，其速度大約是光速的26%，即每秒超過48000英里。SS 433 於1970 年代末期被發現，是迄今為止發現的第一顆微類星體。

IXPE 的三個機載望遠鏡測量X 射線光的一種特殊性質，即偏振，它告訴科學家X 射線頻率下電磁波的組織和排列。X 射線偏振有助於研究人員了解宇宙極端區域內發生的物理過程，例如黑洞周圍的環境，以及粒子如何在這些區域內加速。

殘餘物發出的無線電波呈藍綠色，而由IXPE、XMM-牛頓和錢德拉合成的X 射線則以明亮的藍紫色和粉白色為主色調，紅外線資料則以紅色為背景。黑洞以接近光速的速度噴射出兩個方向相反的物質噴流，扭曲了殘餘物的形狀。噴流在距離黑洞大約100 光年的地方變得明亮，粒子在噴流內部的衝擊下加速到非常高的能量。IXPE 數據顯示，在粒子加速過程中起關鍵作用的磁場與噴流平行排列–這有助於我們了解天文物理噴流是如何將這些粒子加速到高能量的。

突破性發現與對未來的影響

IXPE 在2023 年4 月和5 月花了18 天研究SS 433 東葉的一個這樣的加速點，高能量電子在磁場中螺旋運動產生了輻射–這一過程被稱為同步輻射。

“IXPE數據顯示，加速區域附近的磁場指向噴流移動的方向，”美國宇航局位於阿拉巴馬州亨茨維爾的馬歇爾太空飛行中心的天體物理學家菲利普-卡亞雷特（Philip Kaaret）說，他是IXPE任務的首席研究員，也是SS 433上一篇關於研究結果的新論文的主要作者。他說：”透過IXPE 看到的高水平極化表明，磁場是有序的，至少有一半的磁場朝同一方向排列。”

他說，這項發現出乎意料。研究人員長期以來一直認為，噴流與星際介質（恆星之間的氣體和塵埃環境）之間的相互作用很可能會產生衝擊，從而導致磁場紊亂。

美國國家航空暨太空總署的成像X 射線極化偵測器（IXPE）。資料來源：美國國家航空暨太空總署

卡亞雷特說，這些數據提出了一種新的可能性–當強大的噴流與星際物質碰撞時，它們內部的磁場可能會被”困住”並被拉伸，從而直接影響它們在粒子加速區域的排列。

自1980 年代以來，研究人員就推測SS 433 的噴流起到了粒子加速器的作用。2018年，墨西哥普埃布拉高空水切倫科夫天文台的觀測人員驗證了噴流的加速效應，科學家利用美國太空總署的NuSTAR（核光譜望遠鏡陣列）和歐洲太空總署的XMM-牛頓天文台精確定位了加速區域。

隨著研究人員繼續評估IXPE 的發現並研究太空中的新目標，其數據還有助於確定相同的機制是否會使各種現象–從超新星殘留物中流出的黑洞噴流到從爆發的恆星（如耀斑）中噴出的碎片–所排出的外流中的磁場保持一致。

IXPE 任務的意大利首席研究員保羅-索菲塔（Paolo Soffitta）說：”IXPE 的X 射線偏振計的成像能力使這一非常精細的測量成為可能，從而在距離中心黑洞95 光年的噴流小區域內探測到了微弱訊號。”

這篇新論文詳細介紹了IXPE 在SS 433 上的觀測情況，發表在最新一期的《天文物理學報》上。

編譯來源：ScitechDaily