天空中的粒子加速器：NASA的IXPE探索“微类星体”力学

　　

　　

　　这张海牛星云的合成图像捕捉到了SS 433发出的喷流，SS 433是一个黑洞，吞噬着嵌入在产生它的超新星遗迹中的物质。利用IXPE航天器数据的新研究揭示了黑洞的粒子加速，特别是通过对微类星体SS 433的研究。这项工作揭示了喷流内部的磁场与它们的运动是一致的，这与早期的理论相矛盾，增强了我们对这类宇宙现象的理解。资料来源:x射线:(IXPE): NASA/MSFC/IXPE;(钱德勒):美国宇航局科学家/圣;(XMM): ESA / XMM -牛顿;红外光谱:美国航天局/喷气推进实验室/加州理工学院/明智;收音机:NRAO / AUI / NSF / VLA / B。萨克斯顿。(利用M. Goss等人的数据创建的红外/无线电图像);图像处理:NASA/CXC/SAO/N。沃克和k.a arcand

　　美国宇航局IXPE任务的见解改变了我们对黑洞中粒子加速的理解，使用微类星体SS 433作为案例研究，揭示了其喷流内的排列磁场。

　　黑洞强大的引力场可以吞噬整个行星的物质——通常如此猛烈，以至于它们以接近光速的速度喷出粒子流，形成所谓的喷流。科学家们知道，这些高速喷流可以加速这些被称为宇宙射线的粒子，但对这一过程知之甚少。

　　最近，研究人员利用美国宇航局(NASA)的成像x射线偏振探测器(IXPE)的数据，为科学家们提供了在这种极端环境下粒子加速是如何发生的新线索。这些观测来自一个“微类星体”，一个由黑洞组成的系统，它从伴星上吸走物质。

　　仔细看SS 433

　　正在讨论的微类星体——斯蒂芬森和桑杜拉克433，或SS 433——位于天鹰座超新星遗迹W50的中心，距离地球约18000光年。SS 433的强大喷流扭曲了残骸的形状，并为它赢得了“海牛星云”的绰号，其速度约为光速的26%，即每秒超过48,000英里。SS 433在20世纪70年代末被发现，是迄今为止发现的第一颗微类星体。

　　IXPE的三个机载望远镜测量x射线光的一种特殊特性，称为偏振，它告诉科学家在x射线频率下电磁波的组织和排列。x射线偏振帮助研究人员了解宇宙极端区域(如黑洞周围的环境)内发生的物理过程，以及粒子如何在这些区域加速。

　　这张海牛星云的合成图像捕捉到了SS 433发出的喷流，SS 433是一个黑洞，吞噬着嵌入在产生它的超新星遗迹中的物质。残余物的射电辐射是蓝绿色的，而IXPE, xmm -牛顿和钱德拉的x射线结合在一起，在红色的红外数据背景下，突出显示为明亮的蓝紫色和粉白色。黑洞释放出两股物质以接近光速的速度沿相反方向运动，扭曲了残骸的形状。这些喷流在距离黑洞100光年的地方变得明亮，在那里，粒子被喷流内部的冲击加速到非常高的能量。IXPE的数据显示，在粒子加速过程中起关键作用的磁场与喷流平行，这有助于我们理解天体物理喷流是如何将这些粒子加速到高能的。资料来源:x射线:(IXPE): NASA/MSFC/IXPE;(钱德勒):美国宇航局科学家/圣;(XMM): ESA / XMM -牛顿;红外光谱:美国航天局/喷气推进实验室/加州理工学院/明智;收音机:NRAO / AUI / NSF / VLA / B。萨克斯顿。(利用M. Goss等人的数据创建的红外/无线电图像);图像处理:NASA/CXC/SAO/N。沃克和k.a arcand

　　突破性的发现和未来的影响

　　IXPE在2023年4月和5月花了18天的时间研究SS 433东叶的一个这样的加速点，那里的辐射是由高能电子在磁场中旋转产生的，这个过程被称为同步辐射。

　　“IXPE数据显示，加速区域附近的磁场指向喷流移动的方向，”天体物理学家菲利普·卡雷特说，他是位于阿拉巴马州亨茨维尔的美国宇航局马歇尔太空飞行中心的首席研究员，也是一篇关于SS 433发现的新论文的主要作者。

　　Kaaret说:“IXPE观察到的高度极化表明磁场是有序的，至少有一半的磁场在同一方向上排列。”

　　他说，这个发现出乎意料。研究人员长期以来一直认为，喷流和星际介质(恒星之间的气体和尘埃环境)之间的相互作用可能会产生激波，导致磁场紊乱。

　　美国宇航局的成像x射线偏振探测器(IXPE)。来源:美国国家航空航天局

　　Kaaret说，这些数据提出了一种新的可能性——当强大的喷流与星际物质碰撞时，它们内部的磁场可能会被“捕获”和拉伸，直接影响它们在粒子加速区域的排列。

　　自20世纪80年代以来，研究人员就推测SS 433的喷流起到了粒子加速器的作用。2018年，墨西哥普埃布拉(Puebla)的高海拔水切伦科夫天文台(High-Altitude Water Cherenkov Observatory)的观测者证实了喷流的加速效应，科学家们利用美国宇航局(NASA)的核光谱望远镜阵列(NuSTAR)和欧洲航天局(esa)的xmm -牛顿天文台(XMM-Newton)确定了加速区域。

　　随着研究人员继续评估IXPE的发现并研究太空中的新目标，它的数据也可以帮助确定在各种现象(从超新星残骸流出的黑洞射流到从爆炸的恒星(如blazars)喷射出的碎片)中，是否有相同的机制对磁场起作用。

　　IXPE任务的意大利首席研究员Paolo Soffitta说:“IXPE的x射线偏光仪的成像能力使这种非常精细的测量成为可能，这使得在距离中心黑洞95光年的射流的一个小区域检测到微弱的信号成为可能。”

　　这篇新论文详细介绍了IXPE在SS 433上的观测结果，发表在最新一期的《天体物理学杂志》上。

　　参考:作者:Philip Kaaret、Riccardo Ferrazzoli、Stefano Silvestri、Michela Negro、Alberto Manfreda、Kinwah Wu、Enrico Costa、Paolo Soffitta、Samar Safi-Harb、Juri Poutanen、Alexandra Veledina、Alessandro Di Marco、Patrick Slane、Stefano Bianchi、Adam Ingram、Roger W. Romani、Nicolò Cibrario、Brydyn Mac Intyre、Romana Mikus incov

　　、Ajay Ratheesh、James F. Steiner、Jiri Svoboda、Stefano Tugliani、Iván Agudo、Lucio A. Antonelli、Matteo Bachetti、卢卡·巴尔迪尼、韦恩·鲍姆加特纳、罗纳尔多·贝拉齐尼、斯蒂芬·d·邦乔尼诺、拉菲埃拉·博尼诺、亚历山德罗·卡斯泰拉诺、伊丽莎白·卡瓦祖蒂、陈建庭、斯蒂法诺·奇普里尼、亚历山德拉·德·罗莎、埃托雷·德尔·蒙特、劳拉·迪·格苏、Niccolò迪拉拉、伊玛科拉塔·多纳鲁玛、维克多·多罗申科、迈克尔·多夫

　　亚克、史蒂文·埃赫勒特、照明·埃文基利斯塔、塞尔吉奥·法比亚尼、哈维尔·a·García、修一·冈司、林田清、杰里米·海伊尔、Wataru Iwakiri, Svetlana G. Jorstad, Vladimir Karas, Fabian Kislat, Takao Kitaguchi, Jeffery J. Kolodziejczak, Henric Krawczynski, Fabio La Monaca, Luca Latronico, Ioannis Liodakis, Simone Maldera, fracimdassiric Marin, Andrea Marinucci, Alan P. Marscher, Herman L. Marshall, Francesco Massaro, Giorgio Matt, Ikuyuki Mitsuishi, Tsunefumi Mizuno, Fabio Muleri, Chi-Yung Ng, Stephen L. O’dell, Nicola Omodei, Chiara Oppedisano, Alessandro Papitto, George G. Pavlov, Abel L. Peirson, Matteo Perri，Melissa Pesce-Rollins, Pierre-Olivier Petrucci, Maura Pilia, Andrea Possenti, Simonetta Puccetti, Brian D. Ramsey, John Rankin, Oliver J. Roberts, Carmelo Sgrò， Gloria Spandre, Douglas A. Swartz, Toru Tamagawa, Fabrizio Tavecchio, Roberto Taverna, Yuzuru Tawara, Allyn F. Tennant, Nicholas E. Thomas, Francesco Tombesi, Alessio Trois, Sergey S. Tsygankov, Roberto Turolla, Jacco Vink, Martin C. Weisskopf, Fei Xie和Silvia Zane, 2024年1月16日，《天体物理学杂志》。2041 - 8213 . DOI: 10.3847 / / ad103b

　　一个关于使命

　　IXPE是美国宇航局和意大利航天局与12个国家的伙伴和科学合作者之间的合作项目。IXPE由美国宇航局马歇尔太空飞行中心领导。总部位于科罗拉多州布鲁姆菲尔德的鲍尔航空航天公司与位于博尔德的科罗拉多大学大气与空间物理实验室一起管理航天器的运行。

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