天文学家利用美国国家航空航天局的成像X射线偏振探测卫星（IXPE）终于解开了一个宇宙之谜——类星体天鹤座BL（blazar BL Lacertae）等超大质量黑洞的能量喷流是如何产生X射线的。
耀变体BL Lacertae是一种由超大质量黑洞驱动的活动星系，它发出的明亮、快速移动的喷流直接对准地球，这为科学家们提供了一个难得的机会，可以回答一个长期存在的天体物理学问题：在这种极端的宇宙环境中，X射线是如何产生的？
为了调查清楚，美国国家航空航天局（NASA）的成像X射线偏振探测器（IXPE）与地基射电望远镜和光学望远镜携手合作。他们即将在《天体物理学杂志快报》上发表的研究结果揭示，X射线很可能是在高速电子和被称为光子的光粒子之间的相互作用下产生的。
X射线之谜：电子还是质子？
多年来，科学家们一直在争论这些X射线究竟来源于黑洞喷流中的电子还是质子。这两种情况都会在X射线偏振（即光的电磁波的优选方向）中留下不同的特征。
高度偏振表明质子是源头，质子要么在磁场中回旋，要么与周围的光子发生相互作用。另一方面，偏振程度较低则表明责任在于电子，电子在与光子发生康普顿散射的过程中使其发生散射。
IXPE在太空中的独特能力
IXPE于2021年12月9日发射升空，是目前唯一一颗能够进行此类偏振测量的在轨卫星。
“这是超大质量黑洞喷流最大的谜团之一，”该研究的主要作者、西班牙安达卢西亚天体物理学研究所（CSIC）的天文学家伊万·阿古多说道。“IXPE 在一些地基望远镜的辅助下，终于为我们提供了破解这一谜团的方法。”
开创性发现证实康普顿散射
天文学家通过康普顿散射这一过程发现，电子必定是罪魁祸首。康普顿散射（或康普顿效应）发生在光子与带电粒子（通常是电子）相互作用后失去或获得能量时。在超大质量黑洞的喷流中，电子以接近光速的速度移动。IXPE帮助科学家了解到，在类星体喷流的情况下，电子拥有足够的能量，可以将红外光的光子散射到X射线波长。
BL 天狼星（简称 BL Lac）是最早发现的耀变体之一，最初被认为是位于天龙座的一颗变星。2023 年 11 月底，成像偏振光谱仪（IXPE）与几台地面望远镜同时对 BL Lac 进行了为期七天的观测，测量了其光学和射电波段的偏振情况。虽然 IXPE 之前也曾观测过 BL Lac，但此次观测意义非凡。巧合的是，在 X 射线偏振观测期间，BL Lac 的光学偏振度达到了 47.5%的高值。
观测到创纪录的光学偏振
“这不仅是过去30年来观测到的偏振度最高的BL Lac天体，也是迄今为止观测到的偏振度最高的任何耀变体！”该研究的主要作者之一、希腊天体物理研究所（FORTH）的天体物理学家伊奥尼斯·利奥达基斯说道。
IXPE发现X射线的偏振程度远低于光。研究团队未能测量到强烈的偏振信号，并确定X射线的偏振程度不会超过7.6%。这证明通过与光子发生康普顿效应产生相互作用的电子，必须对X射线作出解释。
“X射线中的光学偏振如此之高，这一事实只能通过康普顿散射来解释，”成像X射线偏振探测任务项目科学家、马歇尔太空飞行中心天文学家史蒂文·埃尔特（Steven Ehlert）说道。
通过IXPE实现十年愿景
“IXPE已经成功解开了另一个黑洞谜团，”意大利国家天体物理研究所天体物理学和空间行星学研究所（Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziali of the Istituto Nazionale di Astrofisica）位于罗马的天体物理学家恩里科·科斯塔（Enrico Costa）说道。科斯塔是构思本次实验并在IXPE首席研究员马丁·韦斯科普夫（Martin Weisskopf）的带领下于十年前向美国国家航空航天局（NASA）提出该实验的科学家之一。“IXPE的偏振X射线视野已经解开了多个长期存在的谜团，而这是其中最重要的一个。在其他一些情况下，IXPE的结果颠覆了固有的观点并带来了全新的谜团，但这就是科学研究的运作方式，可以肯定的是，IXPE正在开展非常出色的科学研究。”
接下来将如何研究耀变体？
埃尔特（Ehlert）说：“我们要做的一件事就是尽可能多地找到它们。耀变体随着时间推移会发生相当大的变化，而且总是充满惊喜。”
参考文献：《伊凡·阿古多、约阿尼斯·利奥达基斯、豪尔赫·奥特罗-桑托斯、里卡尔多·米德、艾伦·马歇尔、斯维特拉娜·约斯塔德、张浩成、李慧、劳拉·迪·杰苏、罗杰·W·罗曼尼、金大勋、弗朗西斯科·费努、赫尔曼·L·马歇尔、路易吉·帕奇亚尼、胡安·埃斯库德罗·佩德罗萨、弗朗西斯科·何塞·阿塞图诺、比阿特丽斯·阿吉斯-冈萨雷斯、贾科莫·波诺利、维克托·卡萨诺瓦、丹尼尔·莫昆德、维尔普·皮奥拉、阿尔弗雷多·索塔、普亚·M·库奇、艾莉娜·林德福斯、考勒姆·麦考尔、海伦·E·杰尔马克、伊恩·A·斯蒂尔、乔治·A·波曼、塔季扬娜·S·格里希娜、弗拉基米尔·A·哈根-索恩、叶夫根尼娅·N·科帕特斯卡娅、叶莲娜·G·拉里奥诺娃、达里娅·A·莫罗佐娃、谢尔盖·S·萨夫琴科、叶卡捷琳娜·V·希什金娜、伊凡·S·特洛伊茨基、尤利娅·V·特洛伊茨卡娅、安德烈·A·瓦西里耶夫、阿列克谢·V·日夫坦、约阿尼斯·米瑟里斯、马克·格尔威尔、加勒特·基廷、兰姆普拉萨德·拉奥、辛彻尔·康、桑松·李、桑铉·金、车惠元、郑贤宇、埃马努伊尔·安杰拉基斯、亚历山大·克劳斯、德米特里·布林诺夫、西达尔特·马哈拉纳、鲁门·巴切夫、珍妮·约尔马宁、卡里·尼尔松、万德·法拉·拉马扎尼、卡罗琳娜·卡萨迪奥、安东尼奥·富恩特斯、埃夫塔利亚·特莱亚努、克莱门斯·图姆、何塞·L·戈麦斯、卢西奥·安杰洛·安东内利、马泰奥·巴切蒂、卢卡·巴尔迪尼、韦恩·H·鲍姆加特纳、罗纳尔多·贝拉兹齐尼、斯特凡诺·比安奇、斯蒂芬·D·邦吉奥尔诺、拉斐拉·博尼诺、亚历山德罗·布雷兹、尼科洛·布奇安蒂尼、菲亚玛·卡皮塔尼奥、西蒙内·卡斯塔利亚诺、埃丽莎贝塔·卡瓦祖蒂、陈建廷、斯特凡诺·西普里尼、恩里科·科斯塔、亚历山德拉·德·罗萨、埃托雷·德尔·蒙特、尼科洛·迪·拉拉、亚历山德罗·迪·马尔科、伊玛科拉塔·多纳鲁马、维克托·多罗申科、米哈尔·多夫恰克、史蒂文·R·埃尔特、寺崎照明、尤里·埃万杰利斯塔、塞尔吉奥·法比安尼、里卡尔多·费拉佐利、哈维尔·A·加西亚、榊俊一、林佳史、杰里米·海尔、岩城和、菲利普·卡雷特、弗拉基米尔·卡拉斯、法比安·基斯拉特、北口隆夫、杰弗里·J·科洛杰伊扎克、亨里克·克劳琴斯基、法比奥·拉莫纳卡、卢卡·拉特罗尼科、西蒙内·马尔德拉、阿尔贝托·曼弗雷达、弗雷德里克·马林、安德烈亚·马里努奇、弗朗切斯科·马萨罗、乔治·马特、水石郁之、水野常史、法比奥·穆莱里、米凯拉·内格罗、吴智勇、斯蒂芬·L·奥德尔、尼古拉·奥莫代、基亚拉·奥佩迪萨诺、亚历山德罗·帕皮托、乔治·G·帕夫洛夫、阿贝尔·L·皮尔森、马泰奥·佩里、梅利萨·佩斯切-罗林斯、皮埃尔-奥利维耶·佩特鲁奇、毛拉·皮利亚、安德烈亚·波森蒂、尤里·普塔宁、西蒙内塔·普切蒂、布赖恩·D·拉姆齐、约翰·兰金、阿贾伊·拉西什、奥利弗·J·罗伯茨、卡梅洛·斯格罗、帕特里克·斯莱恩、保罗·索菲塔、格洛丽亚·斯潘德雷、道格拉斯·A·斯沃茨、多湖诚、法布里齐奥·塔韦基奥、罗伯托·塔韦纳、田原勇、艾琳·F·坦南特、尼古拉斯·E·托马斯、弗朗切斯科·通贝西、阿莱西奥·特罗伊斯、谢尔盖·S·齐甘科夫、罗伯托·图罗拉、雅克·文克、马丁·C·维斯科普夫、吴金和、谢斐、西尔维娅·赞内，《蝎虎座BL星系喷流中康普顿散射导致的高光学至X射线偏振比》，已被《天体物理学杂志快报》接受》。 DOI：10.3847/2041-8213/adc572
关于IXPE的更多信息
IXPE（成像X射线偏振探测仪）是一个开创性的太空观测站，它提供了关于高能宇宙前所未有的数据，使科学家能够揭示一些最极端的宇宙天体（如黑洞、中子星和耀变体）的内部运作机制。
作为美国国家航空航天局（NASA）和意大利航天局的联合任务，成像X射线偏振探测仪（IXPE）汇集了来自12个国家的科学合作者，彰显了全球科学合作。该任务由位于阿拉巴马州亨茨维尔的NASA马歇尔太空飞行中心领导。航天器操作由弗吉尼亚州费尔法克斯市的英国航空航天系统公司（BAE Systems, Inc.）管理，并与位于博尔德的科罗拉多大学大气与空间物理实验室合作进行。
凭借其测量X射线偏振的能力，IXPE为探索宇宙中能量最高环境中光与物质的行为打开了一扇新的窗口。
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