IXPE wykazał, że promieniowanie rentgenowskie w strumieniach blazara BL Lac powstaje przez interakcje elektronów z fotonami. To odkrycie rozwiązuje kluczową zagadkę dotyczącą źródła promieniowania w otoczeniu czarnych dziur.
Blazar BL Lacertae, supermasywna czarna dziura otoczona jasnym dyskiem i strumieniami skierowanymi w Ziemię, zapewnił naukowcom wyjątkową okazję do odpowiedzi na odwieczne pytanie: w jaki sposób generowane jest promieniowanie rentgenowskie w tak ekstremalnych środowiskach?
Należący do NASA IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) współpracował z teleskopami radiowymi i optycznymi w celu znalezienia odpowiedzi. Wyniki, które zostaną opublikowane w czasopiśmie Astrophysical Journal Letters, pokazują, że interakcje między szybko poruszającymi się elektronami i fotonami muszą prowadzić do emisji promieniowania rentgenowskiego.
Naukowcy mieli dwa konkurujące ze sobą możliwe wyjaśnienia 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 światło.
Jeśli promieniowanie rentgenowskie w strumieniach czarnej dziury jest silnie spolaryzowane, oznaczałoby to, że promieniowanie X jest wytwarzane przez protony wirujące w polu magnetycznym strumieni lub protony oddziałujące z fotonami strumieni. Jeśli promieniowanie rentgenowskie ma niższy stopień polaryzacji, sugerowałoby to, że interakcje elektron-foton prowadzą do produkcji promieniowania X.
IXPE, który wystartował 9 grudnia 2021 roku, jest jedynym obecnie latającym satelitą, który może wykonać taki pomiar polaryzacji.
To była jedna z największych tajemnic dotyczących strumieni supermasywnych czarnych dziur – powiedział Iván Agudo, główny autor pracy i astronom w Instituto de Astrofísica de Andalucía – CSIC w Hiszpanii. A IXPE, z pomocą wielu wspierających teleskopów naziemnych, w końcu dostarczył nam narzędzi do jej rozwiązania.
Astronomowie odkryli, że elektrony muszą być winowajcami w procesie zwanym zjawiskiem Comptona. Zjawisko to ma miejsce, gdy foton traci lub zyskuje energię po interakcji z naładowaną cząstką, zwykle elektronem. W strumieniach 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 za gwiazdę zmienną w konstelacji Jaszczurki. IXPE obserwował BL Lac pod koniec 2023 roku przez siedem dni wraz z kilkoma naziemnymi teleskopami mierzącymi polaryzację optyczną i radiową w tym samym czasie. Chociaż IXPE obserwował BL Lac w przeszłości, ta obserwacja była wyjątkowa. Przypadkowo, podczas obserwacji polaryzacji rentgenowskiej, polaryzacja optyczna BL Lac osiągnęła wysoką wartość: 47,5%.
To nie był tylko najbardziej spolaryzowany blazar w ciągu ostatnich 30 lat, to najbardziej spolaryzowany blazar, jaki kiedykolwiek zaobserwowano! – powiedział Ioannis Liodakis, jeden z głównych autorów pracy i astrofizyk z Instytutu Astrofizyki – FORTH w Grecji.
IXPE stwierdził, że promieniowanie rentgenowskie było znacznie mniej spolaryzowane niż światło optyczne. Zespół nie był w stanie zmierzyć silnego sygnału polaryzacji i ustalił, że promieniowanie rentgenowskie nie może być bardziej spolaryzowane niż 7,6%. Dowiodło to, że elektrony oddziałujące z fotonami poprzez zjawisko Comptona muszą wyjaśniać promieniowanie rentgenowskie.
Fakt, że polaryzacja optyczna była o wiele wyższa niż w promieniowaniu rentgenowskim, można wyjaśnić jedynie efektem Comptona, powiedział Steven Ehlert, naukowiec projektu IXPE I astronom w Marshall Space Flight Center.
IXPE udało się rozwiązać kolejną tajemnicę czarnej dziury – powiedział Enrico Costa, astrofizyk z Istituto di Astrofísica e Planetologia Spaziali w Rzymie. Costa jest jednym z naukowców, którzy wymyślili ten eksperyment i zaproponowali go NASA 10 lat temu, pod kierownictwem Martina Weisskopfa, pierwszego głównego naukowca IXPE. Spolaryzowane widzenie rentgenowskie IXPE rozwiązał kilka długotrwałych zagadek, a ta jest jedną z najważniejszych. W niektórych innych przypadkach wyniki IXPE podważyły utrwalone opinie i otworzyły nowe zagadki, ale tak właśnie działa nauka i z pewnością IXPE robi bardzo dobrą naukę.
Co dalej z badaniami nad blazarami?
Jedną z rzeczy, które będziemy chcieli zrobić, jest próba znalezienia jak największej ich liczby – powiedział Ehlert. Blazary zmieniają się z czasem i są pełne niespodzianek.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
NASA
