罕见“心跳”黑洞现异样偏振信号 挑战现有X射线理论

一项利用美国国家航空航天局（NASA）成像X射线偏振探测器（IXPE）的最新研究显示，银河系内一处黑洞候选体在喷发高能辐射时呈现出极为罕见、令科学家困惑的偏振特征，或将改写人类对黑洞周围物质行为的理解。

这项由国际天文学家团队完成的研究对象，是距离地球约2.8万光年的黑洞候选体IGR J17091-3624，其已知以类似“心跳”的方式周期性变暗、变亮，而此次在偏振观测方面暴露出的反常现象，直接挑战了现有关于黑洞如何产生X射线的理论框架。

IXPE能够测量入射X射线的偏振性质，包括电场振动方向及其一致程度；通过分析这些信息，科研人员可以推断出黑洞周围极端环境中，尤其是包裹其周围的高温磁化等离子体——即所谓“日冕”（corona）的结构与动力学行为。

一项相关研究指出，黑洞向外喷射强劲风流（winds）的过程，并非无源之水，而是建立在其周围形成一层高温等离子体外壳（日冕）之后；研究人员通过观测银河系内另一处黑洞，并绘制所谓“宇宙心电图”（cosmic echocardiogram）示意图，将其明暗起伏模式可视化，发现其心跳式变化与IGR J17091-3624高度相似。

论文第一作者、英国纽卡斯尔大学的梅丽莎·尤因（Melissa Ewing）表示，IGR J17091-3624是一个“非同寻常的来源”，它以类似心跳的方式一明一暗，而IXPE使团队得以以前所未有的方式，对这一独特源进行偏振测量。

在典型的X射线双星系统中，黑洞从近邻恒星身上剥离物质，这些物质在黑洞周围形成高速旋转的吸积盘，并不断向内落入，为黑洞提供“燃料”；日冕位于内盘区域，其温度可高达约18亿华氏度，释放出强烈的X射线辐射，但由于尺寸极小、距离极远，目前无法通过成像直接分辨，只能借助偏振等间接手段进行推断。

早先研究已注意到，来自日冕的X射线辐射所携带的能量总量，单靠热运动难以解释，这暗示磁场在其中扮演关键角色；科学家推测，若日冕内部磁场高度紊乱，则可以高效加热等离子体，而更有序的磁场结构则可能沿磁力线“引导”物质外流，形成喷流和风，这一机制或同样适用于质量更大的黑洞，包括银河系中心的超大质量黑洞。

论文合著者、意大利罗马第三大学教授乔尔乔·马特（Giorgio Matt）指出，传统上若要获得如此高的偏振度，往往需要我们以接近“掠边”（edge-on）的角度观测日冕，而且日冕的几何形状必须十分规则，因此此次在一般视角下测得异常偏振，引发了理论上的重大疑问；他同时强调，IGR J17091-3624的变暗变亮模式迄今尚未得到令人信服的解释，其中可能隐藏理解这一类黑洞系统的关键线索。

观测显示，IGR J17091-3624呈现出多种复杂的光变曲线模式，包括强烈耀发与相对平静期交替出现，这些模式与此前在独特黑洞系统GRS 1915+105中定义的一系列“可变性类别”高度相似。 IGR J17091-3624中可见ν、ρ、α、λ、β和μ等类别，并存在类似χ类的安静阶段，但整体计数率仅为GRS 1915+105的约1/10至1/50。 其中，ρ类“心跳”现象的周期最短可达几秒，最长可接近100秒，在硬度—强度图上描绘出一条闭合环路；不同的是，GRS 1915+105沿环路顺时针演化，而IGR J17091-3624则朝相反方向前进。

为解释异常偏振度，科研团队测试了多种理论模型，其中一种设想认为，吸积盘表面存在一股向外抬升并被抛出的物质“风”，来自日冕的X射线在与这股外流物质发生散射后，其偏振特性得以显著改变，从而再现观测结果。 日本爱媛大学的马希姆·帕拉（Maxime Parra）指出，这类风流是理解各类黑洞增长过程时“缺失的关键拼图”之一。

另一种模型则设想，日冕内部的等离子体整体以高达光速20%左右的相对论速度向外喷射，约合每小时1.24亿英里，此类高速运动同样可以增强观测到的偏振信号。

模型拟合结果显示，上述两种情景都能在无需假定特殊“掠边视角”的前提下，重现IXPE获得的偏振测量数据。 研究团队表示，未来将继续通过数值模拟和追加观测，进一步厘清黑洞系统中偏振信号的物理起源，并借此完善人类对黑洞吸积、喷流以及宇宙极端环境中磁场作用的整体认识。