臺北市立天文科學教育館

X射線偏振影像探測任務（Imaging X-ray Polarimetry Explorer, IXPE）於2021年12月發射，任務目標為研究宇宙中的高能天體，包括吸積黑洞、中子星和脈衝星，觀測這些天體所輻射X射線的偏振。偏振片常運用在太陽眼鏡，僅留光線中特定方向震盪的電磁波通過。也就是說，IXPE觀測的是，經偏振片指定方向過濾後的高能X射線。

任教華盛頓大學物理學系的首席研究員Henric Krawczynski教授說明：「IXPE測量目標的線性偏振，可得知黑洞周圍的X射線，若能產生，那會生於何處。」本篇研究論文11月3日發表於《科學》期刊。 

IXPE觀測的天鵝座X-1黑洞，是位於天鵝座，距離我們7,200光年之外，一對由21個太陽質量的黑洞，和41個太陽質量的恆星，互相為伴的X射線雙星系統（x-ray binary, XRB）。黑洞的重力正用力地把伴星的物質扯過去，這些恆星上的物質形成一股流體，流向黑洞，並圍繞著黑洞旋轉成吸積盤。流體的摩擦生熱，讓溫度高達數百萬度，足以發出X射線。然而吸積盤內是一個同時有摩擦力、磁力、重力的複雜環境，天文學家還未能釐清，這些物質是如何穿過事件視界掉入黑洞，以及部分物質又是如何從黑洞兩極的噴流逃離。

NASA在國際太空站的中子星內部物質探測儀NICER（The Neutron star Interior Composition Explorer），和核光譜望遠鏡陣列NuSTAR（The Nuclear Spectroscopic Telescope Array）的太空望遠鏡，也在2022年5月和6月觀測同個目標天鵝座X-1黑洞。經分析比對黑洞周圍所發出的X射線，讓科學家描述黑洞吸積幾何的樣貌更加立體。

由IXPE對天鵝座X-1的測量，研究團隊發現在黑洞周圍2,000公里處，測得超熱電漿區域所輻射的X射線。X射線電漿分佈顯示正在遠離黑洞，並向外延伸、平行於吸積盤、垂直於噴流。推測X射線電漿，可能捲於物質流之間，或其實是從吸積盤的內部產生，而且吸積盤的範圍比以前的認知，還更接近環境的邊界。這次的觀測結果顯示，IXPE能幫助科學家進一步地瞭解，黑洞的吸積和質量增長的過程。

此外，也發現X射線電漿區和吸積盤內側的方向，並未平行於外側吸積盤和伴星所繞行軌道平面。可能是當初產生黑洞的超新星爆炸時，造成黑洞旋轉和吸積環境之間有角度的差異。這些劇烈的旋轉，以及黑洞的重力，可能會讓內側盤內，產生更多的力矩扭轉，導致靠近中心的空間扭曲

這回對黑洞的研究，科學家又進一步地往核心接近，黑洞附近的重力是如何扭曲空間和時間。期待新見解讓我們對黑洞的認識更加清晰。（編譯/潘康嫻） 

圖說：藝術家筆下的天鵝座X-1黑洞雙星系統。描繪黑洞吸積伴星的物質，和過程中產生的吸積盤。

資料來源：SPACE