Teleskop kosmiczny IXPE pomaga badać dżety z czarnych dziur

Astronomowie wykorzystując teleskop kosmiczny IXPE badali dżety emitowane przez czarne dziury. Odkryli cząstki generujące promieniowanie rentgenowskie w tych ekstremalnych warunkach.

.Jak tłumaczą naukowcy z NASA, blazar BL Lacertae – supermasywna czarna dziura otoczona jasnym dyskiem, emitująca dżety skierowane w stronę Ziemi, pozwoliła lepiej zrozumieć w jaki sposób promieniowanie rentgenowskie jest generowane w tak ekstremalnych warunkach.

Astronomowie wykorzystali obserwacje z należącego do NASA IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) wraz z innymi teleskopami radiowymi i optycznymi, aby znaleźć lepiej poznać dżety z czarnych dziur i generowane w nich promieniowanie rentgenowskie. Przeprowadzone analizy pokazują, że interakcje między szybko poruszającymi się elektronami i cząstkami światła, zwanymi fotonami, muszą prowadzić do emisji promieniowania rentgenowskiego. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Astrophysical Journal Letters.

Naukowcy zakładali dwa konkurencyjne możliwe wyjaśnienia generowania promieniowania rentgenowskiego, jedno z udziałem protonów, a drugie z udziałem elektronów. Każdy z tych mechanizmów miałby inną sygnaturę w polaryzacji światła rentgenowskiego. Polaryzacja to właściwość światła, która opisuje średni kierunek fal elektromagnetycznych składających się na nie.

Jeśli promieniowanie rentgenowskie w dżetach czarnej dziury byłoby silnie spolaryzowane, oznaczałoby to, zdaniem naukowców, że jest wytwarzane przez protony wirujące w polu magnetycznym dżetów lub te oddziałujące z fotonami tam obecnymi. Jeśli promieniowanie rentgenowskie ma niższy stopień polaryzacji, sugerowałoby to, że interakcje elektron-foton prowadzą do jego generowania.

Teleskop kosmiczny IXPE, który wystartował 9 grudnia 2021 r., jest jedynym obecnie obserwatorium, które byłoby w stanie dokonać takiego pomiaru polaryzacji.

„To była jedna z największych tajemnic dotyczących dżetów supermasywnych czarnych dziur. A IXPE, z pomocą wielu innych teleskopów naziemnych, w końcu dostarczył nam narzędzi do rozwiązania tego problemu” – mówi Iván Agudo z Instituto de Astrofísica de Andalucía-CSIC.

Astronomowie odkryli, że elektrony muszą odpowiadać za proces zwany rozpraszaniem Comptona (lub efektem Comptona). Występuje on, gdy foton traci lub zyskuje energię po interakcji z naładowaną cząstką, zwykle elektronem. W dżetach supermasywnych czarnych dziur elektrony poruszają się z prędkością bliską prędkości światła. IXPE pomógł naukowcom dowiedzieć się, że w przypadku strumieni blazarów elektrony mają wystarczającą energię, aby rozpraszać fotony światła podczerwonego aż do długości fal rentgenowskich.

BL Lacertae (w skrócie BL Lac) to jeden z pierwszych odkrytych blazarów, pierwotnie uważany przez badaczy za gwiazdę zmienną w gwiazdozbiorze Jaszczurki. Teleskop kosmiczny IXPE obserwował BL Lac pod koniec listopada 2023 r. przez siedem dni z pomocą kilku naziemnych teleskopów mierzących polaryzację optyczną i radiową w tym samym czasie. Przypadkowo, podczas obserwacji polaryzacji rentgenowskiej, polaryzacja optyczna blazara osiągnęła wysoki poziom: 47,5 proc.

„Był to nie tylko najbardziej spolaryzowany BL Lac w ciągu ostatnich 30 lat, ale także najbardziej spolaryzowany blazar, jaki kiedykolwiek zaobserwowano” – podkreśla Ioannis Liodakis z Institute of Astrophysics—FORTH.

IXPE odkrył, że promieniowanie rentgenowskie było znacznie mniej spolaryzowane niż światło optyczne. Badacze nie byli w stanie zmierzyć silnego sygnału polaryzacji i ustalił, że promieniowanie rentgenowskie nie może być bardziej spolaryzowane niż 7,6 proc. Dowiodło to ich zdaniem, że elektrony oddziałujące z fotonami poprzez efekt Comptona muszą wyjaśniać generowanie promieniowania rentgenowskiego.

.„Fakt, że polaryzacja optyczna była znacznie wyższa niż w promieniowaniu rentgenowskim, można wyjaśnić jedynie rozpraszaniem Comptona” – podkreśla Steven Ehlert z Marshall Space Flight Center.

Oprac. EG