在宇宙中的上千亿个星系中，大部分星系核心都存在着一个超
大质量黑洞，这些黑洞的质量有时可高达太阳质量的数十亿倍。
在这些黑洞中，有许多都处于休眠状态，但有些仍然在肆意的成
长着，它们会吞噬周围的气体，释放出大量辐射。有时，一些
活跃的超大质量黑洞甚至可以从核心发射出强大的粒子喷流，发
出明亮的光芒。当喷流指向地球时，我们将这类活动星系核称为
耀变体。
几十年来，围绕耀变体最大的谜团之一便是，这些喷流中的粒
子是如何被加速到如此高的能量的？随着技术的发展，目前，
NASA的IXPE（成像X射线偏振探测器），已经帮助天文学家向
答案更进一步。在一项由一个大型国际合作组完成的新研究中，
研究人员发现，对粒子加速的最佳解释是喷流中的激波。这解开
了一个存在了长达数十年的科学谜团。论文已于近日发表在《自
然》上。
2021年12月9日升空的IXPE地球轨道卫星，提供了一种前所未
有的特殊数据。由于大气吸收了来自太空的X射线，地球上的望
远镜无法获得X射线的光波电场的平均方向和强度等信息，但IX
P则可以进行X射线光的偏振测量。2022年3月，IXPE瞄准了一
个位于武仙座的耀变体——马卡良501，距离地球约4.5亿光年。
这个活跃的黑洞系统位于一个大型椭圆星系的中
心。
对于磁场如何加速马卡良501的喷流，科学家主要有两种猜想。
第一种是，粒子可能被磁力重联所推动，也就是磁力线断裂、重
组并与附近的其他线连接的现象。类似的过程加速了太阳中的等
离子体。如果这就是粒子加速引擎，那么从射电波到X射线，沿
喷流所有波长的光的偏振都应该是一样的。另一种想法则是，激
波将粒子射出。当某些东西的运动速度超过周围物质的音速时，
就会产生激波，就像超音速喷气机在地球大气中飞过时那样。在
激波处，磁场突然从湍流切换到有序。这一转换可能会让粒子飞
走，就像水被喷出水管的喷嘴一样。当粒子离开激波位置时，湍
流再次占据主导地位。如果激波是加速的原因，那么短波长的X
射线应该比长波长的可见光和射电光偏振得更多。
IXPE对马卡良501进行了三天观测，并于两周后再次观测。在
这些过程中，天文学家也使用空间和地面的其他望远镜，从光的
各个波长（包括射电波、可见光和X射线等）收集这个耀变体的
信息。虽然其他研究过去也曾观测来自耀变体低能量光的偏振，
但这是科学家第一次能够从耀变体的X射线上获取这类测量，因
为X射线是在更接近粒子加速源的地方发射的。
研究人员发现，X射线偏振比可见光更强，而可见光偏振又比射
电波更强。但在观测到的所有波长的光中，偏振光的方向是一样
的，而且也与喷流的方向一致。这种前所未有的测量，也第一次
让科学家可以直接比较这些数据与观测其他频率的光（从射电到
极高能的伽马射线）所建立的模型。将观测结果与理论模型进行
比较后，团队意识到，这些数据与激波加速喷流粒子的情况最为
接近。
这项研究没有调查激波的起源，它仍然是个谜。但是科学家假
设，喷流的流动中的一处扰动，会导致它的一部分变成超音速。
这可能是喷流内部高能粒子的碰撞，或者由喷流边界的突然压力
变化造成的。当激波穿过这片区域时，磁场变得更强，粒子的能
量也变得更高。能量来自制造激波的物质的运动能量。
未来，科学家将继续观测马卡良501耀变体，观察偏振是否会随
时间而变化。在IXPE两年的任务期间，它还将调查更广泛的耀
变体集合，探索更多关于宇宙的长期之谜。这也是人类在了解自
然及其所有奇异现象方面所取得进展的一部分。