Чорні діри виробляють найяскравіше світло у Всесвіті

Для чогось, що не випромінює світла, яке ми можемо виявити, чорні діри просто люблять маскувати себе в сяйві. Фактично, найяскравіше світло у Всесвіті надходить від надмасивних чорних дір. Ну, насправді не самі чорні діри; це матеріал навколо них, оскільки вони активно висмоктують величезну кількість матерії зі свого безпосереднього оточення.

Серед найяскравіших із цих вирів розпеченого матеріалу є галактики, відомі як блазари. Вони не тільки світяться теплом закрученого шару, але й направляють матеріал у «палаючі» промені, які ширяють космосом, випускаючи електромагнітне випромінювання з енергією, яку важко осягнути. Вчені нарешті з’ясували механізм створення неймовірного високоенергетичного світла, яке досягає нас мільярди років тому: поштовхи в струменях чорної діри , які збільшують швидкість частинок до неймовірної швидкості.

«Це таємниця 40-річної давнини, яку ми розгадали», — каже астроном Янніс Ліодакіс з Фінського центру астрономії з ESO (FINCA). «Нарешті у нас були всі частини головоломки, і картина, яку вони зробили, була чіткою».

Більшість галактик у Всесвіті побудовані навколо надмасивної чорної діри. Ці приголомшливо великі об’єкти знаходяться в центрі галактики, іноді роблять дуже мало (наприклад, Стрілець A*, чорна діра в центрі Чумацького Шляху), а іноді роблять багато. Ця діяльність складається з накопичення матеріалу. Величезна хмара збирається в екваторіальний диск навколо чорної діри, обертаючи її, як вода навколо дренажу. Фрикційні та гравітаційні взаємодії, що відбуваються в екстремальному просторі, що оточує чорну діру, змушують цей матеріал нагріватися та яскраво світити в діапазоні довжин хвиль. Це одне з джерел світла чорної діри.

Інший – той, який грає в блазарах – це подвійні струмені матеріалу, що запускаються з полярних областей за межами чорної діри, перпендикулярно диску. Вважається, що ці струмені є матеріалом із внутрішнього краю диска, який замість того, щоб падати в бік чорної діри, прискорюється вздовж ліній зовнішнього магнітного поля до полюсів, звідки запускається на дуже високих швидкостях, близьких до швидкості світла. .

Щоб класифікувати галактику як блазар, ці струмені мають бути спрямовані майже прямо на глядача. Це ми, на Землі. Завдяки надзвичайному прискоренню частинок вони сяють світлом у всьому електромагнітному спектрі, включаючи гамма- та рентгенівське випромінювання високої енергії.

Як саме цей струмінь прискорює частинки до таких високих швидкостей, протягом десятиліть залишалося гігантським космічним знаком питання. Але тепер новий потужний рентгенівський телескоп під назвою Imaging X-ray Polarimetry Explorer  (IXPE), запущений у грудні 2021 року, дав вченим ключ до розгадки таємниці. Це перший космічний телескоп, який виявляє орієнтацію або поляризацію рентгенівських променів.

«Перші рентгенівські поляризаційні вимірювання цього класу джерел дозволили вперше провести пряме порівняння з моделями, розробленими на основі спостережень за іншими частотами світла, від радіо до гамма-променів дуже високої енергії», — каже астроном Іммаколата Доннарумма з Італійське космічне агентство.

IXPE звернувся до найяскравішого високоенергетичного об’єкта в нашому небі, блазара під назвою Markarian 501, розташованого на відстані 460 мільйонів світлових років від нас у сузір’ї Геркулеса. Загалом протягом шести днів у березні 2022 року телескоп збирав дані про рентгенівське світло, випромінюване струменем блазара.Ілюстрація, на якій IXPE спостерігає за Маркаріаном 501, при цьому світло втрачає енергію, віддаляючись від фронту удару. (Пабло Гарсія/NASA/MSFC)

В той самий час інші обсерваторії вимірювали світло в інших діапазонах довжин хвиль, від радіо до оптичних, які раніше були єдиними даними, доступними для Markarian 501. Незабаром команда помітила цікаву різницю в рентгенівському світлі. Його орієнтація була значно більш закрученою або поляризованою, ніж хвилі з нижчою енергією. І оптичне світло було більш поляризованим, ніж радіочастоти.

Однак напрямок поляризації був однаковим для всіх довжин хвиль і узгоджувався з напрямком струменя. Це, як виявила команда, узгоджується з моделями, в яких поштовхи в струменях створюють ударні хвилі, які забезпечують додаткове прискорення по довжині струменя. Найближче до удару це прискорення є найвищим, створюючи рентгенівське випромінювання. Далі вздовж струменя частинки втрачають енергію, створюючи оптичне випромінювання меншої енергії, а потім радіовипромінювання з меншою поляризацією.

«Коли ударна хвиля перетинає область, магнітне поле стає сильнішим, а енергія частинок зростає», — каже астроном Алан Маршер з Бостонського університету. «Енергія походить від енергії руху матеріалу, що створює ударну хвилю».

Незрозуміло, що створює поштовхи, але одним із можливих механізмів є швидший матеріал у струмені, який наздоганяє грудки, що рухаються повільніше, що призводить до зіткнень. Майбутні дослідження можуть допомогти підтвердити цю гіпотезу.

Оскільки блазари є одними з найпотужніших прискорювачів частинок у Всесвіті та однією з найкращих лабораторій для розуміння екстремальної фізики, це дослідження є досить важливою частиною головоломки. Подальші дослідження продовжуватимуть спостерігати за Маркаріаном 501 і звернуть IXPE до інших блазарів, щоб побачити, чи можна виявити подібну поляризацію.