
來自黑洞噴流的x射線發射出人意料地變化,挑戰了粒子加速的主導模型。信用:Pixabay/CC0公共領域
(神秘的地球uux.cn)據馬裏蘭大學巴爾的摩分校:研究人員直到最近才發現黑洞噴流發出X射線,噴流如何將粒子加速到這種高能狀態仍然是個謎。《自然·天文學》上令人驚訝的新發現似乎排除了一個領先的理論,為重新想象粒子加速在噴流中的工作方式打開了大門——也可能在宇宙的其他地方。
一個關於噴流如何產生X射線的領先模型預計噴流的X射線發射將在長時間尺度(數百萬年)內保持穩定。然而,這篇新論文發現,具有統計學意義的大量噴流的X射線輻射在短短幾年內發生了變化。
“我們對可變性感到興奮的原因之一是,在這些噴流中有兩種主要的X射線產生模型,它們完全不同,”主要作者,巴爾的摩縣馬裏蘭大學的天文學家艾琳·邁耶解釋說。“一個模型調用能量非常低的電子,一個模型調用能量非常高的電子。其中一個模型與任何一種可變性都完全不相容。”
在這項研究中,作者分析了錢德拉X射線天文台的檔案數據,這是目前分辨率最高的X射線天文台。研究小組觀察了錢德拉多次觀察的幾乎所有黑洞噴流,在53個噴流中有155個獨特的區域。
邁耶說,在如此短的時間尺度上發現相對頻繁的變化“在這些噴流的背景下是革命性的,因為這是完全沒有預料到的”。
重新思考粒子加速
除了假設X射線發射隨著時間的推移保持穩定,關於噴流如何產生X射線的最簡單理論還假設粒子加速發生在驅動噴流的黑洞“引擎”中的星係中心。然而,新的研究發現,沿著噴流的長度方向,X射線輻射會快速變化。這表明粒子加速發生在整個噴流中,距離噴流的黑洞原點很遠。
邁耶說:“有一些理論可以解釋這是如何工作的,但我們一直在研究的很多東西現在顯然與我們的觀察不相容。”。
有趣的是,研究結果還暗示,離地球較近的噴流比離地球較遠的噴流有更多的可變性。後者是如此遙遠,以至於當它們發出的光到達望遠鏡時,就像是在回顧過去。對梅耶來說,更老的噴氣式飛機可變性更小是有道理的。在宇宙曆史的早期,宇宙更小,環境輻射更大,研究人員認為這可能導致噴流中X射線更穩定。
關鍵合作
盡管Chandra具有出色的成像分辨率,但數據集帶來了巨大的挑戰。錢德拉僅用少量的X射線光子就觀察到了一些可變性。在給定的噴射流中,X射線產生的可變性通常是百分之十左右。為了避免無意中將隨機性算作真正的可變性,Meyer與多倫多大學和倫敦帝國理工學院的統計學家合作。
“從數據中得出這個結果幾乎就像一個奇跡,因為觀測不是為了檢測它而設計的,”Meyer說。該小組的分析表明,研究中30%到100%的噴流在短時間尺度內表現出可變性。“雖然我們想要更好的約束,”她說,“但可變性顯然不是零。”
新的發現在黑洞噴流中產生X射線的一個主要理論中戳出了重大漏洞,Meyer希望這篇論文激勵未來的工作。“希望這將是對理論家的一個真正的召喚,”她說,“基本上看看這個結果,並提出與我們的發現一致的噴流模型。”