黑洞噴流的 X 光從哪裡來？偏振觀測揭開關鍵線索

在活躍星系核中心，超大質量黑洞會將其周圍吸積盤的部分物質加速，並噴射成接近光速的高速噴流。這些噴流會在各種波段發出極為明亮的輻射，包含高能量的 X 光。天文學家早已知道，這些 X 光並不是「直接產生」的，而是來自一種稱為「康普頓散射」的過程：高速運動的電子撞上原本能量較低的光子，將光子「踢」成能量更高的 X 光。真正的問題在於，這些一開始被撞擊、能量較低的光，究竟是從哪裡來的，這個問題困擾了天文學界數十年。

理論上，這些光子有兩種主要可能來源。其中一種情況是，光子來自黑洞噴流本身。噴流中的高速電子在強磁場中運動時，會先放出一種稱為「同步輻射」的光，接著再由同一批電子把這些光子加速成 X 光。簡單來說，就是噴流自己發光，再自己把光升級。

另一種情況則是，這些低能量光子並非來自噴流，而是來自黑洞周圍的吸積盤或星系中心的環境輻射，再被噴流中的電子加速成 X 光。這兩種機制在亮度與能量分布上看起來非常相似，使得天文學家長期無法僅靠傳統觀測加以分辨。

關鍵的突破來自「偏振」的觀測。光具有振動方向，而不同的產生機制會留下不同的偏振特徵。如果 X 光來自噴流本身的同步輻射相關過程，其偏振方向與程度應該會與光學或電波波段相似；反之，若光子來自外部環境，偏振訊號則會被大幅削弱。

NASA 的「X光偏振成像探測器（IXPE）」任務，正是專門用來量測 X 光偏振的望遠鏡。研究團隊對英仙座星系團中心的活躍星系 3C 84 進行長達 600 小時的觀測，並結合多台 X 光望遠鏡的資料，成功從複雜的背景中分離出噴流本身的訊號。

▲ 英仙座星系團的 X 光觀測比較。此圖並列呈現「X光偏振成像探測器（IXPE）」任務與「錢卓X光觀測衛星（Chandra X-ray Observatory）」對英仙座星系團的 X 光觀測結果。研究團隊結合 IXPE 所提供的 X 光偏振資訊，以及錢卓拉的高解析成像能力，並搭配其他 X 光望遠鏡的觀測資料，得以在星系團內大量高溫氣體所形成的複雜背景中，分離出核心活躍星系 3C 84 所發出的 X 光訊號，並確認其偏振量測結果。（Source：NASA）

觀測結果顯示，3C 84 的 X 光具有約 4% 的偏振度，且其偏振特性與光學與電波觀測高度一致。這樣的結果正符合「噴流自己發光、再自己把光升級」的物理情境，幾乎排除了 X 光主要來自外部環境輻射的可能性。

這是天文學家首次利用 X 光偏振，直接釐清黑洞噴流中高能輻射的物理來源，不僅解決了一個長年未解的問題，也顯示 X 光偏振將成為研究黑洞與高能宇宙的重要新工具。