在距离地球约 4.5 亿光年的天鹅座中，有一个名为 马卡良 501 (Markarian 501) 的星系。在我们对它的 可见光图像 中，马卡良 501 看起来只是一个简单、不起眼的斑点。
但在太空中，外表往往具有欺骗性。马卡良 501 是以接近光速传播的带电粒子的发射台。从这个星系的核心喷射出明亮的高能粒子和辐射喷流，直冲地球方向。这使得它成为研究这些加速粒子的完美天然实验室——如果科学家们能够理解是什么导致了它们的话。
在今天发表于 《自然》杂志 的一篇论文中，天文学家们得以以前所未有的方式深入研究其中一个喷流的核心，并观察到是什么最初驱动了这些粒子。论文的主要作者、芬兰图尔库大学的天文学家 Yannis Liodakis 表示：“这是我们首次能够直接检验粒子加速模型的预测。”
马卡良 501 是一个名副其实的闪耀典范，属于一类特殊的星系，称为 类星体 (blazar)。这个星系之所以如此明亮，是因为其中心存在一个超大质量黑洞。这个引力致密的区域喷射出巨量的 高能粒子，形成一个接近光速的喷流，延伸数亿光年。
许多星系都有超大质量黑洞喷射出这样的喷流——天文学家称之为 活动星系核 (active galactic nuclei)。但像马卡良 501 这样的类星体之所以被定义，是因为它们的喷流直接指向地球大致方向。天文学家可以利用望远镜对准它，向上游观测，清晰地看到一股持续不断的粒子洪流，它们在电磁谱的各个部分（从明亮的无线电波到可见光再到耀眼的伽马射线）的波浪中穿行。
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类星体可以将其影响范围远远超出自身所在的宇宙角落。例如，埋藏在南极冰层下的探测器 捕捉到了一颗中微子——一种幽灵般、低质量、极力躲避物理学家探究的粒子——它来自一个名为 TXS 0506+56 的类星体。这是研究人员首次在地球上探测到来自太阳系以外（且距离 50 亿光年）的源点的中微子。
但是，究竟是什么导致超大质量黑洞形成光和其他电磁波？那个喷流内部到底发生了什么？如果你在里面冲浪，你究竟会感受到什么，看到什么？
科学家们也想知道这些答案，不仅仅是因为它们构成了有趣的、极端的思想实验。类星体是天然的粒子加速器，它们比我们目前能在地球上建造的任何加速器都要庞大和强大得多。通过分析类星体喷流的动力学，它们可以了解哪些自然过程可以将物质加速到接近光速。此外，马卡良 501 是更受青睐的研究类星体之一，因为它相对靠近地球，至少与那些可能远达数十亿光年的其他类星体相比而言。
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因此，Liodakis 和来自世界各地的数十位同事开始对其进行观测。他们使用了 NASA 于 2021 年 12 月发射的、形似水母的望远镜——成像 X 射线偏振探测器 (Imaging X-ray Polarization Explorer, IXPE)——来观测那条喷流的长度。特别是，IXPE 研究了遥远的 X 射线是否偏振，以及它们的电磁波在空间中的方向。例如，灯泡发出的光的波不是偏振的——它们向各个方向摆动。而 LCD 屏幕发出的光的波是偏振的，只在一个方向摆动，这就是为什么你可以 玩出 让别人看不到你屏幕的把戏。
回到天空中，如果天文学家知道像黑洞这样的源的偏振，他们或许就能重构在那里发生的事情。Liodakis 和他的同事们对预期有些了解，因为他们领域的专家曾花费数年时间在计算机上模拟和建模喷流。“这是我们第一次能够直接检验那些模型的预测，”他解释道。
他们发现罪魁祸首是冲击波：快速移动的粒子锋面撞击缓慢移动的粒子，如同被汹涌的水流推动的漂浮物一样加速它们。剧烈的碰撞产生了天文学家在 IXPE 读数中看到的 X 射线。
这是天文学家首次使用 X 射线偏振方法来观察结果。Liodakis 说：“这确实是我们对这些源的理解上的一个突破。”
在《自然》杂志上的一篇配套评论中，耶鲁大学的天体物理学家 Lea Marcotulli（她并非该论文的作者）称该结果“令人眼花缭乱”。她写道：“这一巨大的飞跃让我们离理解这些极端粒子加速器又近了一步。”
当然，关于这些喷流，仍有许多未解之谜。这些冲击波是否解释了马卡良 501 黑洞所有粒子加速的现象？其他类星体和星系也存在类似的冲击波吗？
Liodakis 表示，他的团队至少会继续研究马卡良 501 的 X 射线，直至 2023 年。对于这样一个令人眼花缭乱的天体，实在难以移开目光。
