宇宙中充斥着强大的超大质量黑洞，它们会产生强大的高能粒子喷流，在浩瀚的太空中形成极亮的光源。当其中一个喷流直接指向地球时，科学家们就把这个黑洞系统称为耀星。为了了解喷流中的粒子为何以极快的速度和能量运动，科学家们求助于美国宇航局于 2021 年 12 月发射的 IXPE（成像 X 射线极坐标探测器）。这种先进的工具可以测量 X 射线光的一种独特性质，即偏振，它与 X 射线频率下电磁波的排列有关。

来自马尔卡里安 421 星（Markarian 421）的新发现

本周，一个由天体物理学家组成的国际研究小组发表了 IXPE 有关一颗名为马尔卡里安 421 星的新发现。该星位于大熊座，距地球约 4 亿光年，磁场中的螺旋结构是粒子被加速的地方，这一证据令科学家们震惊不已。

新论文的第一作者、意大利航天局天体物理学家劳拉-迪格苏（Laura Di Gesu）说："马卡里亚421是高能天文学家的老朋友。我们确信这颗耀星将是 IXPE 的一个值得研究的目标，但它的发现超出了我们的最佳预期，成功证明了 X 射线偏振测量法如何丰富了我们探测相对论喷流不同区域复杂磁场几何和粒子加速的能力。"

最新一期《自然-天文学》杂志刊登了详细介绍 IXPE 小组在马尔卡里安 421 发现的新研究报告。

艺术家绘制的地球轨道上的 IXPE。资料来源：美国国家航空航天局

耀星喷流现象

像马尔卡里安 421 星发射的这种耀星喷流，长度可达数百万光年。它们之所以特别明亮，是因为当粒子接近光速时，它们会释放出巨大的能量，并表现出爱因斯坦所预言的怪异行为。蓝星喷流之所以更亮，还因为就像救护车的警笛声越近越响一样，指向我们的光也显得更亮。这就解释了为什么耀星可以比它们所在星系中的所有恒星都亮。

尽管经过了数十年的研究，但科学家们仍然难以捉摸形成耀星喷流动力学和发射的物理过程。然而，IXPE 的新型 X 射线偏振测量法--测量光波电场的平均方向--为研究这些天体、其物理几何形状及其发射源提供了无与伦比的视角。

惊人的发现

研究人员的模型通常将强大的喷射流描绘成螺旋状的螺旋结构，类似于人类 DNA 的组织结构。但科学家们没有想到，螺旋结构会包含被冲击加速的粒子区域。

IXPE 在 2022 年 5 月和 6 月对马尔卡里安 421 进行的三次长时间观测中发现了偏振角的惊人变化。

剑桥麻省理工学院研究物理学家赫尔曼-马歇尔（Herman Marshall）是这篇论文的合著者之一，他说："我们已经预料到偏振方向可能会发生变化，但根据以往对许多类星体的光学观测结果，我们认为大的旋转将是罕见的。因此，我们计划对这颗蓝星进行多次观测，第一次观测显示出 15%的恒定偏振"。

他补充说，值得注意的是，对 IXPE 偏振数据的初步分析表明，在第一次和第二次观测之间，偏振似乎降到了零。

马歇尔说："然后我们发现，偏振实际上是差不多的，但它的方向却来了个大转弯，在两天内旋转了近 180 度。在一天后开始的第三次观测中，偏振方向继续以同样的速度旋转，这再次让我们大吃一惊。"

冲击波传播与未来观测

更奇怪的是，同时进行的光学、红外线和无线电测量显示，即使偏振 X 射线发射出现偏差，其稳定性或结构也没有发生任何变化。这表明冲击波可能是沿着喷流内部的螺旋磁场传播的。

冲击波加速喷流粒子的概念与有关马尔卡里安 501 的理论是一致的，马尔卡里安 501 是 IXPE 观测到的第二颗类星体，该理论导致了 2022 年底发表的一项研究。但是，它的表亲马尔卡里安421却显示出更明显的证据，表明螺旋磁场对冲击起了作用。

Di Gesu、Marshall和他们的同事急切地希望对Markarian 421和其他类星体进行进一步观测，以进一步了解这些喷流波动及其发生的频率。

Di Gesu 说："多亏了 IXPE，现在是研究天体物理喷流的激动人心的时刻。"