「索伦之眼」与视错觉帮助科学家解开宇宙谜题

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原作：Evan Gough

翻译：郭皓存

校对：牧夫校对组

编排：张莹

后台：朱宸宇

https://www.universetoday.com/articles/the-eye-of-sauron-and-an-optical-illusion-solve-a-cosmic-puzzle

这张图展示了一个遥远类耀变体的等离子体喷流，被近乎完美的环形磁场所"缠绕"。尽管从我们的视角看去喷流似乎移动缓慢，但那是因为地球刚好在高能伽马射线和中微子高速移动的方向上。

图片来源：Y.Y. Kovalev et al. 2025 A&A

主流科学界认为所有大型星系的核心都是超大质量黑洞（SMBH）。当这样的黑洞处于活跃吸积并发射辐射的状态时，天体物理学家称其为活动星系核（AGN）。部分 AGN 会喷射相对论性喷流，即以接近光速运动的电离物质流。当这些强大的喷流朝向我们时，我们称之为 blazar（类耀变体）。

类耀变体是极端且神秘的天体，天体物理学家仍有许多未解之问。其喷流的机制尚不清楚。磁场发挥着怎样的作用？喷流中的粒子如何被加速到足以发出伽马射线？它们如何产生中微子？为什么有些喷流可以延伸数千光年，却在短至几分钟的时间尺度上出现可变性？

类耀变体是将高能高速粒子喷流指向我们的活动星系核。它们有时被称为自然界的粒子加速器。

图片来源：Marscher 等，Wolfgang Steffen，Cosmovision，NRAO/AUI/NSF

发表于《天文学与天体物理学》（A&A）的一项新研究给这一难题提供了线索。论文题为"窥视与中微子相关的超高能类耀变体 PKS 1424+240 的喷流锥体 Looking into the jet cone of the neutrino-associated very high-energy blazar PKS 1424+240", 第一作者 Yuri Kovalev 来自马克斯·普朗克射电天文学研究所（MPIfR），负责 MuSES 项目。MuSES（Multi-messenger Studies of Extragalactic Super-colliders，河外超对撞机的多信使研究）旨在通过观测 AGN 喷流，弄清其成因与束缚成束机制，以及如何产生中微子并将粒子加速至高能。

PKS 1424+240 是一种看上去运动较慢的类耀变体（blazar），却可能是目前已知最明亮的中微子与高能伽马射线源之一。它被归入 BL Lacertae 天体（简称 BL Lac）。之所以这样命名，是因为这一类天体最早由一个典型代表，名为 BL Lacertae（蝎虎座 BL）的源所定义并得名。BL Lac 的典型特征包括：通量随时间剧烈起伏（大幅度的亮度变化）以及显著的光学偏振；与此同时，它们的光谱几乎不见明显的谱线，这与许多常见的活动星系核形成对比，后者通常可见由高温气体产生的发射谱线。

PKS 1424+240 距离我们数十亿光年，尽管已成为大量科学研究的对象，但仍令人困惑。尽管它发射中微子和高能伽马光子，其喷流却相当缓慢。这与"最快的喷流应最具能量并且最明亮"的预期相悖。

15 年的等待后，天文学家利用位于新墨西哥州的甚长基线阵列（VLBA）拼合出了迄今最高分辨率的该喷流图像。

该图为类耀变体 PKS 1424+240 的 VLBA 叠加图像。等值线展示了斯托克斯水平，这是一种量化电磁辐射偏振性和强度的方法。

图片来源：Kovalev 等，2025，A&A

"当我们重建图像时，大家都被吓到了，"第一作者 Kovalev 在一份媒体通稿中说。"我们从未见过如此一个近乎完美的环形磁场与喷流，而且还是笔直地指向我们。"

观测结果显示该喷流与地球几乎完美对齐，因此其高能辐射被放大。作者在论文中解释道："我们的观测揭示了一个罕见情形。我们从喷流锥体内侧观测该天体，视线非常接近其相对论性喷流的轴线，视线夹角为 < 0.6°。"

使用甚长基线阵列（VLBA）的射电望远镜窥视类耀变体 PKS 1424+240 的等离子体喷流锥。几乎完美的视线夹角使研究人员探测到规整的环形磁场。图片来源：NSF/AUI/NRAO/B. Saxton/Y.Y. Kovalev et al. 2025. A&A

"这种对齐使亮度提升了 30 倍或更多，"论文合著作者 Jack Livingston 解释道。"与此同时，由于视向投影效应，喷流看起来移动缓慢——一种经典的视觉错觉。"

要直视喷流内部，几乎完美的视线对准是必不可少的。喷流发出的射电偏振信号使研究人员得以描绘其磁场结构，结果显示该磁场很可能呈环状。这样的结构或许正是喷流能将粒子加速到极端高能的关键机制之一。

为了向托尔金致意（J.R.R. Tolkien，《魔戒》作者），该天体被称为"Eye of Sauron"（索伦之眼，索伦是《魔戒》中的主要反派，"索伦之眼"常被用作其权力与监视的象征），这是索伦力量的强力象征。线偏振的方向线表明我们几乎正对着喷流锥体观测。

图片来源：Kovalev et al. 2025. A&A

"这一谜题的解开表明，含有超大质量黑洞的活动星系核不仅能高效加速电子，也能高效加速质子，这为观测到的高能中微子的起源提供了关键线索，"Kovalev 总结道。需要指出的是，受加速的质子并不会直接生成中微子，但它们处在随后一连串反应过程的起点，最终产生中微子。

这段动画展示了在 15 年观测期间该天体如何发生变化。

这项研究来自美国国家射电天文台（NRAO）的 MOJAVE 观测计划（Monitoring Of Jets in Active galactic nuclei with VLBA Experiments，即利用 VLBA 实验监测活动星系核喷流）。MOJAVE 是一项长期计划，专门观测在偏振与射电亮度上呈现变化的 AGN 喷流；其中部分目标已持续跟踪长达 30 年。这批结果正切中 MOJAVE 的初衷。

"当我们启动 MOJAVE 时，将遥远黑洞喷流与宇宙中微子直接关联的想法还像是科幻。如今，我们的观测正在把它变为现实。"MPIfR 主任、该项目共同创始人 Anton Zensus 说。

责任编辑：郭皓存

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