天空中的粒子加速器：NASA的IXPE探索"微类星体"机制

美国国家航空航天局（NASA）的IXPE任务利用微类星体SS 433作为案例研究，揭示了其喷流中排列整齐的磁场，从而改变了我们对黑洞中粒子加速的理解。黑洞的强大引力场可以吞噬整个星球的物质--它们经常如此猛烈地将接近光速的粒子流以喷流的形式排出。科学家们知道，这些高速喷流可以加速这些被称为宇宙射线的粒子，但对这一过程却知之甚少。

这张海牛星云的合成图捕捉到了 SS 433 喷出的喷流，SS 433 是一个黑洞，它正在吞噬产生它的超新星残余物中的物质。利用 IXPE 航天器数据进行的新研究，特别是通过对微类星体 SS 433 的研究，揭示了黑洞的粒子加速现象。这项工作揭示了喷流内的磁场与它们的运动是一致的，这与之前的理论相矛盾，增强了我们对这种宇宙现象的理解。

研究人员利用美国国家航空航天局（NASA）的IXPE（X射线极坐标成像探测器）航天器的数据得出的最新发现，为科学家们提供了粒子加速如何在这种极端环境中发生的新线索。这些观测数据来自一颗"微类星体"，这是一个由黑洞从伴星虹吸物质组成的系统。

近距离观察 SS 433

这颗微类星体（Stephenson and Sanduleak 433，简称 SS 433）位于天鹰座超新星残余物 W50 的中心，距离地球约 1.8 万光年。SS 433强大的喷流扭曲了残余物的形状，并为它赢得了"海牛星云"的绰号，其速度大约是光速的26%，即每秒超过48000英里。SS 433 于 20 世纪 70 年代末被发现，是迄今为止发现的第一颗微类星体。

IXPE 的三个机载望远镜测量 X 射线光的一种特殊性质，即偏振，它告诉科学家 X 射线频率下电磁波的组织和排列情况。X 射线偏振有助于研究人员了解宇宙极端区域内发生的物理过程，如黑洞周围的环境，以及粒子如何在这些区域内加速。

残余物发出的无线电波呈蓝绿色，而由 IXPE、XMM-牛顿和钱德拉合成的 X 射线则以明亮的蓝紫色和粉白色为主色调，红外线数据则以红色为背景。黑洞以接近光速的速度喷射出两个方向相反的物质射流，扭曲了残余物的形状。喷流在距离黑洞大约 100 光年的地方变得明亮，粒子在喷流内部的冲击下被加速到非常高的能量。IXPE 数据显示，在粒子加速过程中起关键作用的磁场与喷流平行排列--这有助于我们了解天体物理喷流是如何将这些粒子加速到高能量的。

突破性发现和对未来的影响

IXPE 在 2023 年 4 月和 5 月花了 18 天时间研究 SS 433 东叶的一个这样的加速点，高能电子在磁场中螺旋运动产生了辐射--这一过程被称为同步辐射。

"IXPE数据显示，加速区域附近的磁场指向喷流移动的方向，"美国宇航局位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心的天体物理学家菲利普-卡亚雷特（Philip Kaaret）说，他是IXPE任务的首席研究员，也是SS 433上一篇关于研究结果的新论文的主要作者。他说："通过 IXPE 看到的高水平极化表明，磁场是有序的，至少有一半的磁场朝同一方向排列。"

他说，这一发现出乎意料。研究人员长期以来一直认为，喷流与星际介质（恒星之间的气体和尘埃环境）之间的相互作用很可能会产生冲击，从而导致磁场紊乱。

美国国家航空航天局的成像 X 射线极化探测器（IXPE）。资料来源：美国国家航空航天局

卡亚雷特说，这些数据提出了一种新的可能性--当强大的喷流与星际物质碰撞时，它们内部的磁场可能会被"困住"并被拉伸，从而直接影响它们在粒子加速区域的排列。

自 20 世纪 80 年代以来，研究人员就推测 SS 433 的喷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伦科夫天文台的观测人员验证了喷流的加速效应，科学家们利用美国宇航局的NuSTAR（核光谱望远镜阵列）和欧洲航天局的XMM-牛顿天文台精确定位了加速区域。

随着研究人员继续评估 IXPE 的发现并研究太空中的新目标，其数据还有助于确定相同的机制是否会使各种现象--从超新星残留物中流出的黑洞喷流到从爆发的恒星（如耀斑）中喷出的碎片--所排出的外流中的磁场保持一致。

IXPE 任务的意大利首席研究员保罗-索菲塔（Paolo Soffitta）说："IXPE 的 X 射线偏振计的成像能力使这一非常精细的测量成为可能，从而在距离中心黑洞 95 光年的喷流小区域内探测到了微弱信号。"

这篇新论文详细介绍了 IXPE 在 SS 433 上的观测情况，发表在最新一期的《天体物理学报》上。

编译来源：ScitechDaily