来自黑洞喷流的x射线发射出人意料地变化，挑战了粒子加速的主导模型。信用:Pixabay/CC0公共领域
据马里兰大学巴尔的摩分校：研究人员直到最近才发现黑洞喷流发出X射线，喷流如何将粒子加速到这种高能状态仍然是个谜。《自然·天文学》上令人惊讶的新发现似乎排除了一个领先的理论，为重新想象粒子加速在喷流中的工作方式打开了大门——也可能在宇宙的其他地方。
一个关于喷流如何产生X射线的领先模型预计喷流的X射线发射将在长时间尺度(数百万年)内保持稳定。然而，这篇新论文发现，具有统计学意义的大量喷流的X射线辐射在短短几年内发生了变化。
“我们对可变性感到兴奋的原因之一是，在这些喷流中有两种主要的X射线产生模型，它们完全不同，”主要作者，巴尔的摩县马里兰大学的天文学家艾琳·迈耶解释说。“一个模型调用能量非常低的电子，一个模型调用能量非常高的电子。其中一个模型与任何一种可变性都完全不相容。”
在这项研究中，作者分析了钱德拉X射线天文台的档案数据，这是目前分辨率最高的X射线天文台。研究小组观察了钱德拉多次观察的几乎所有黑洞喷流，在53个喷流中有155个独特的区域。
迈耶说，在如此短的时间尺度上发现相对频繁的变化“在这些喷流的背景下是革命性的，因为这是完全没有预料到的”。
重新思考粒子加速
除了假设X射线发射随着时间的推移保持稳定，关于喷流如何产生X射线的最简单理论还假设粒子加速发生在驱动喷流的黑洞“引擎”中的星系中心。然而，新的研究发现，沿着喷流的长度方向，X射线辐射会快速变化。这表明粒子加速发生在整个喷流中，距离喷流的黑洞原点很远。
迈耶说:“有一些理论可以解释这是如何工作的，但我们一直在研究的很多东西现在显然与我们的观察不相容。”。
有趣的是，研究结果还暗示，离地球较近的喷流比离地球较远的喷流有更多的可变性。后者是如此遥远，以至于当它们发出的光到达望远镜时，就像是在回顾过去。对梅耶来说，更老的喷气式飞机可变性更小是有道理的。在宇宙历史的早期，宇宙更小，环境辐射更大，研究人员认为这可能导致喷流中X射线更稳定。
关键合作
尽管Chandra具有出色的成像分辨率，但数据集带来了巨大的挑战。钱德拉仅用少量的X射线光子就观察到了一些可变性。在给定的喷射流中，X射线产生的可变性通常是百分之十左右。为了避免无意中将随机性算作真正的可变性，Meyer与多伦多大学和伦敦帝国理工学院的统计学家合作。
“从数据中得出这个结果几乎就像一个奇迹，因为观测不是为了检测它而设计的，”Meyer说。该小组的分析表明，研究中30%到100%的喷流在短时间尺度内表现出可变性。“虽然我们想要更好的约束，”她说，“但可变性显然不是零。”
新的发现在黑洞喷流中产生X射线的一个主要理论中戳出了重大漏洞，Meyer希望这篇论文激励未来的工作。“希望这将是对理论家的一个真正的召唤，”她说，“基本上看看这个结果，并提出与我们的发现一致的喷流模型。”
