天文学家在太空“索伦之眼”内部发现隐藏引擎

关键点

• 窥探活动星系的核心： 天文学家捕捉到了宇宙喷流起源的图像。该图像及其人工上色效果令人联想到索伦之眼。
• 中微子起源问题： PKS 1424+240 是同类天体中最亮的中微子发射源。然而，其集中的物质流速度过慢，无法解释中微子的发射。
• 螺旋磁场加速粒子： 利用超长基线阵列进行的15年精密观测，使喷流起源的详细分析成为可能。射电图像或许能解决这个问题，因为它显示了环状磁场——这种环境如同弹簧，能将粒子加速至高能状态。这进而解释了中微子和高能伽马辐射的产生。

位于数十亿光年之外的耀变体 PKS 1424+240 曾长期困扰天文学家。作为冰立方中微子天文台所认定的已知最亮中微子发射耀变体，它在甚高能伽马射线波段（由地面切伦科夫望远镜观测）也异常明亮。但奇怪的是，其射电喷流看似移动缓慢，违背了只有最快喷流才能驱动如此强烈高能辐射的预期。

如今，借助超长基线阵列（VLBA）15年的超高精度射电观测，研究人员以无与伦比的分辨率拼合出该喷流的深度图像。

"重建图像时，其视觉效果令人震撼，"该研究的主要作者、马克斯·普朗克射电天文研究所（MPIfR）ERC资助项目MuSES的首席研究员尤里·科瓦廖夫表示，"我们从未见过类似景象——一个近乎完美的环形磁场伴随着喷流，正对着地球方向。"

由于喷流几乎精确对准地球方向，狭义相对论效应使其高能辐射亮度显著增强。"这种对齐导致亮度提升30倍以上，"MPIfR的合作者杰克·利文斯顿解释道，"同时，投影效应造成喷流看似移动缓慢——这是一种经典的光学错觉。"

这种正向几何结构使科学家得以直接窥视耀变体喷流的核心——这是极其罕见的机会。偏振射电信号帮助团队绘制出喷流磁场结构图，揭示其可能的螺旋或环形形态。该结构在启动和准直等离子体流中起关键作用，并且对于将粒子加速至极高能量至关重要。

"解开这个谜题证实，拥有超大质量黑洞的活动星系核不仅是电子的强大加速器，也是质子（观测到的高能中微子源头）的加速器，"科瓦廖夫总结道。

该发现是MOJAVE项目的重大成果。该项目通过超长基线阵列（VLBA）监测活动星系中的相对论性喷流，已持续数十年。科学家运用甚长基线干涉测量技术（VLBI），将全球射电望远镜联网形成地球尺寸的虚拟望远镜。这提供了天文学领域的最高分辨率，使他们能够研究遥远宇宙喷流的精细结构。

"MOJAVE项目启动时，有朝一日能将遥远黑洞喷流与宇宙中微子直接关联的想法如同科幻。如今，我们的观测正将其变为现实，"MPIfR所长、项目联合创始人安东·岑苏斯表示。

该成果强化了相对论性喷流、高能中微子以及磁场在塑造宇宙加速器过程中的关联——标志着多信使天文学的一个里程碑。

背景信息

耀变体是一种活动星系核，由超大质量黑洞提供能量，该黑洞喷射出接近光速运动的等离子体流。耀变体的特殊性在于其朝向：其中一个喷流与地球的夹角在10度以内。这种对准使耀变体在整个电磁波谱中呈现高亮度，并让科学家得以研究极端物理过程——包括将粒子加速至远超人造加速器所能达到的能量。

超长基线阵列（VLBA）是由十面天线组成的阵列，分布在美国本土、夏威夷和圣克罗伊岛，以甚长基线干涉测量模式运行。天线间距最大可达约一万公里，提供高达50微角秒的角分辨率。

活动星系核喷流VLBA监测计划（MOJAVE）是一项长期项目，旨在监测北天可见活动星系喷流的射电亮度与偏振变化。观测通过超长基线阵列进行，使我们能制作角分辨率优于1毫角秒（相当于宇航员在月球上所见汽车头灯的视间隔）的全偏振图像。利用这些数据，我们致力于更好理解喷流在光年尺度上的复杂演化与磁场结构（靠近其在活动星系核的起源处），及其活动与高能电磁辐射和中微子发射的关联性。

高能源多信使研究（MuSES）是天体物理学领域的开创性项目，致力于研究活动星系核——宇宙中已知最强大的粒子加速器之一。这些天体利用超大质量黑洞吸积物质的引力能，将其转化为电磁能和动能，从而产生高度相对论性的电子和质子。质子加速及其与中微子产生的关系尚不明确，这对研究者构成重大挑战。MuSES旨在通过运用多信使天文学的最新进展，解答这些基础性问题。

MuSES项目已获得欧盟资助（ERC资助协议号101142396）。所表达观点仅代表作者立场，不一定反映欧盟或欧洲研究理事会执行机构（ERCEA）的观点。欧盟和资助机构均不对其承担责任。