Teraz wiemy, dlaczego dżety czarnych dziur emitują promieniowanie o wysokiej energii

Aktywne jądra galaktyk, zasilane zawartymi w nich supermasywnymi czarnymi dziurami, są najjaśniejszymi obiektami we wszechświecie. Światło pochodzi z dżetów materii, które są wyrzucane z prędkością bliską prędkości światła z otoczenia wokół czarnej dziury. W większości przypadków te aktywne jądra galaktyczne nazywane są kwazarami. Ale w rzadkich przypadkach, gdy jeden z dżetów jest skierowany bezpośrednio na Ziemię, nazywa się go blazarem i wydaje się znacznie jaśniejszy.

Chociaż ogólny zarys działania blazara został opracowany, wiele szczegółów wciąż jest słabo poznanych, w tym sposób, w jaki szybko poruszająca się materia generuje tak dużo światła. Teraz naukowcy przekształcili nowe obserwatorium kosmiczne o nazwie Eksplorator polaryzacyjnego obrazowania rentgenowskiego (IXPE) w kierunku jednego z najjaśniejszych płomieni na niebie. Zebrane razem dane z niego i inne obserwacje wskazują, że światło powstaje, gdy dżety czarnej dziury zderzają się z wolno poruszającą się materią.

Samoloty i światło

IXPE specjalizuje się w wykrywaniu polaryzacji fotonów wysokoenergetycznych – kierunku drgań w polu elektrycznym światła. Informacje o polaryzacji mogą nam powiedzieć coś o procesach, które stworzyły fotony. Na przykład fotony pochodzące z nieuporządkowanego środowiska będą miały zasadniczo losowe polaryzacje, podczas gdy bardziej uporządkowane środowisko ma tendencję do wytwarzania fotonów o ograniczonym zakresie polaryzacji. Światło przechodzące przez materiały lub pola magnetyczne może również zmieniać swoją polaryzację.

Wykazano, że jest to przydatne w badaniu blazarów. Wysokoenergetyczne fotony emitowane przez te obiekty są generowane przez naładowane cząstki w dżetach. Gdy obiekty te zmieniają trajektorię lub zwalniają, muszą oddać energię w postaci fotonów. Ponieważ poruszają się z prędkością bliską prędkości światła, mają dużo energii do oddania, pozwalając blazarom emitować w całym spektrum, od fal radiowych po promienie gamma – niektóre z tych ostatnich pozostają na tych energiach pomimo miliardów lat przesunięcia ku czerwieni .

Powstaje więc pytanie, co powoduje spowolnienie tych cząstek. Wiodące są dwie idee. Jednym z takich czynników jest to, że środowisko w samolocie jest turbulentne, z chaotycznymi nagromadzeniami materiałów i pól magnetycznych. Powoduje to spowolnienie cząstek, a chaotyczne środowisko oznacza, że ​​polaryzacja staje się w dużej mierze przypadkowa.

Alternatywny pomysł obejmuje falę uderzeniową, w której materiał z dżetów zderza się z wolno poruszającym się materiałem, spowalniając go. Jest to stosunkowo uporządkowany proces, wytwarzający polaryzację o stosunkowo ograniczonym paśmie, która staje się bardziej wyraźna przy wyższych energiach.

Wpisz IXPE

Nowy zestaw obserwacji jest skoordynowaną kampanią mającą na celu zarejestrowanie Blazar Markarian 501 przy użyciu różnych teleskopów, które wychwytują polaryzację na dłuższych falach, przy czym IXPE obsługuje fotony o najwyższej energii. Ponadto badacze przeszukali archiwa kilku obserwatoriów w poszukiwaniu wcześniejszych obserwacji Markarian 501, co pozwoliło im ustalić, czy polaryzacja była stabilna w czasie.

Ogólnie rzecz biorąc, w całym spektrum, od fal radiowych po promienie gamma, zmierzone polaryzacje mieściły się w granicach kilku stopni. Był również stabilny w czasie, a jego wyrównanie wzrastało przy wyższych energiach fotonów.

Nadal istnieje niewielka różnica w polaryzacji, co wskazuje na stosunkowo niewielkie zaburzenia w miejscu zderzenia, co nie jest tak naprawdę niespodzianką. Ale jest znacznie mniej turbulentny, niż można by się spodziewać po turbulentnej materii ze złożonymi polami magnetycznymi.

Chociaż wyniki te pozwalają lepiej zrozumieć, w jaki sposób czarne dziury wytwarzają światło, proces ten ostatecznie zależy od produkcji dżetów, które występują w pobliżu czarnej dziury. Nadal nie wiadomo, w jaki sposób te dżety powstają, więc ludzie, którzy badają astrofizykę czarnych dziur, wciąż mają powód, by wrócić do pracy po weekendzie.

Natura2022. DOI: 10.1038 / s41586-022-05338-0 (Informacje o DOI).