天文学家现在知道超大质量黑洞如何向我们发射能量

距离地球约 4.5 亿光年的武仙座中有一个名为马卡良 501 的星系。在我们拥有的可见光图像中，马卡良 501 看起来就像一个简单、无趣的斑点。

但外表是会骗人的，尤其是在太空中。马卡良 501 是带电粒子以接近光速运动的发射台。从星系中心喷出一股明亮的高能粒子和辐射流，直冲地球方向。这使其成为研究这些加速粒子的完美天然实验室——只要科学家能了解它们的原因就好了。

在《自然》杂志上发表的一篇论文中 今天，天文学家能够前所未有地深入观察其中一股喷流的核心，并了解最初是什么驱使这些粒子喷出。“这是我们第一次能够直接测试粒子加速模型，”芬兰图尔库大学天文学家、论文的主要作者 Yannis Liodakis 说。

马卡良 501 是被称为耀变体的特殊星系的一个典型代表。该星系之所以如此明亮，是因为其中心有一个超大质量黑洞。重力密集的区域喷出大量高能粒子，形成一股以非常接近光速的速度行进并延伸数亿光年的喷流。

许多星系都有超大质量黑洞喷出这样的喷流——天文学家称之为活动星系核。但像 Markarian 501 这样的耀变体，其喷流指向地球的大致方向。天文学家可以使用对准它的望远镜向上游看，清楚地看到粒子流在电磁波谱的每个部分中穿行，从明亮的无线电波到可见光再到炽热的伽马射线。

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耀变体可以将其影响扩展到宇宙中它自己的角落之外。例如，埋在南极冰层下的探测器捕获了一个中微子——一种幽灵般的低质量粒子，它竭尽全力躲避物理学家——来自一个名为 TXS 0506+56 的耀变体。这是研究人员首次从太阳系外的起源点（距离地球 50 亿光年）捕获降落到地球上的中微子。

但究竟是什么原因导致超大质量黑洞形成光和其他电磁波呢？喷流内部发生了什么？如果你在里面冲浪，你到底会有什么感觉和看到什么？

科学家也想知道这些问题的答案，这不仅仅是因为它们可以成为一个有趣而极端的思想实验。耀变体是天然的粒子加速器，它们比我们目前希望在地球上建造的任何加速器都要大得多，也更强大。通过分析耀变体喷流的动力学，他们可以了解哪些自然过程可以将物质加速到接近光速。更重要的是，Markarian 501 是更值得研究的耀变体之一，因为它距离地球相对较近，至少与其他距离地球数十亿光年的耀变体相比是如此。

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因此，利奥达基斯和来自世界各地的数十名同事开始对其进行观察。他们利用成像 X 射线偏振探测器 (IXPE)（一种由 NASA 于 2021 年 12 月发射的水母状望远镜）来观察该喷流的长度。特别是，IXPE 研究了遥远的 X 射线是否被偏振，以及它们的电磁波在空间中的方向。例如，灯泡发出的波不是偏振的——它们会向各个方向摆动。另一方面，液晶屏发出的波是偏振的，只向一个方向摆动，这就是为什么你可以耍一些花招，比如让你的屏幕对其他人不可见。

回到天空，如果天文学家知道黑洞等源的偏振，他们可能能够重建那里发生的事情。Liodakis 和他的同事对预期结果有所了解，因为他们领域的专家之前曾花费数年时间在计算机上建模和模拟喷流。“这是我们第一次能够直接测试这些模型的预测，”他解释道。

他们发现罪魁祸首是冲击波：快速移动的粒子前端与慢速移动的粒子相撞，使粒子加速移动，就像湍急的水流推动漂浮物一样。剧烈的撞击产生了天文学家在 IXPE 读数中看到的 X 射线。

这是天文学家首次使用 X 射线偏振法观察结果。“这确实是我们对这些光源理解的一个突破，”Liodakis 说道。

在《自然》杂志的一篇随附观点中，耶鲁大学天体物理学家 Lea Marcotulli（不是该论文的作者）称这一结果“令人眼花缭乱”。她写道：“这一巨大的飞跃使我们更接近了解这些极端粒子加速器。”

当然，围绕着这些喷流，仍有许多未解之谜。这些冲击波是否解释了 Markarian 501 黑洞中加速的所有粒子？其他耀变体和星系是否也有类似的冲击波？

利奥达基斯表示，他的团队将继续研究马卡良 501 的 X 射线，至少到 2023 年。如此耀眼的物体，很难让人将目光移开。