Активные ядра галактик, питаемые содержащимися в них сверхмассивными черными дырами, являются самыми яркими объектами во Вселенной. Свет исходит от струй материала, выбрасываемых почти со скоростью света из окружающей среды вокруг черной дыры. В большинстве случаев эти активные галактические ядра называют квазарами. Но в тех редких случаях, когда один из джетов направлен прямо на Землю, он называется блазаром и выглядит намного ярче.
Хотя общее представление о том, как работает блазар, было разработано, многие детали остаются плохо изученными, в том числе то, как быстро движущаяся материя производит так много света. Теперь исследователи преобразовали новую космическую обсерваторию под названием Исследователь поляризационных рентгеновских изображений (IXPE) к одному из самых ярких огней в небе. В целом данные этих и других наблюдений позволяют предположить, что свет возникает при столкновении струйной черной дыры с медленно движущимся веществом.
Самолет и свет
IXPE специализируется на обнаружении поляризации фотонов высокой энергии — направления вибрации в электрическом поле света. Информация о поляризации может рассказать нам кое-что о процессе создания фотонов. Например, фотоны, исходящие из неупорядоченной среды, будут иметь по существу случайные поляризации, тогда как более неупорядоченная среда будет иметь тенденцию производить фотоны с ограниченным диапазоном поляризаций. Свет, проходящий через материал или магнитное поле, также может изменить свою поляризацию.
Это оказалось полезным при изучении блазаров. Фотоны высокой энергии, которые излучают эти объекты, генерируются заряженными частицами в луче. Когда эти объекты меняют траекторию или замедляются, они должны высвобождать энергию в виде фотонов. Поскольку они движутся со скоростью, близкой к скорости света, они могут высвобождать много энергии, что позволяет блазарам излучать весь спектр от радиоволн до гамма-лучей — некоторые из последних остаются с этой энергией, несмотря на миллиарды лет красного смещения.
Тогда возникает вопрос, что заставляет эти частицы замедляться. Есть две основные идеи. Одним из таких факторов является то, что среда внутри самолета турбулентна, с накоплением материалов и хаотическими магнитными полями. Это заставляет частицы замедляться, а хаотическая среда означает, что поляризация становится в значительной степени случайной.
Альтернативная идея включает ударные волны, когда материал из струи сталкивается с медленно движущимся материалом, замедляя его. Это относительно неупорядоченный процесс, приводящий к относительно ограниченной полосе поляризации, которая становится более выраженной при более высоких энергиях.
Введите IXPE
Новая серия наблюдений представляет собой скоординированную кампанию по регистрации Blazar Markarian 501 с использованием нескольких телескопов, которые фиксируют поляризацию на более длинных волнах, при этом IXPE обрабатывает фотоны с самой высокой энергией. Кроме того, исследователи провели поиск в архивах нескольких обсерваторий ранних наблюдений Маркаряна 501, что позволило им определить, стабильна ли ее поляризация во времени.
Как правило, по всему спектру от радиоволн до гамма-лучей измеренные поляризации находятся в пределах нескольких градусов друг от друга. Он также стабилен во времени, и его выравнивание улучшается при более высоких энергиях фотонов.
Все еще есть небольшая разница в поляризации, указывающая на относительно небольшое возмущение в месте крушения, что неудивительно. Но турбулентность гораздо меньше, чем можно было бы ожидать от турбулентной материи со сложными магнитными полями.
Хотя эти результаты обеспечивают лучшее понимание того, как черные дыры излучают свет, этот процесс в конечном итоге зависит от производства свечения, возникающего вблизи черной дыры. Как формируются эти струи, до сих пор не совсем понятно, поэтому у людей, изучающих астрофизику черных дыр, все еще есть причины вернуться к работе после выходных.
алам2022. ДОИ: 10.1038/с41586-022-05338-0 (О DOI).
