Дело в электронах: раскрыта природа рентгеновских лучей в джетах черных дыр
Астрономы впервые смогли точно определить, как возникают мощные рентгеновские лучи в струях сверхмассивных черных дыр. Ключом к разгадке стал блазар BL Lacertae — один из первых обнаруженных объектов такого типа. Наблюдая за ним в ноябре 2023 года, исследователи из команды космической обсерватории IXPE и нескольких наземных телескопов поймали редчайшее событие, которое позволило решить многолетний научный спор.
Блазары — это особый вид активных ядер галактик, в центре которых находится сверхмассивная черная дыра, окруженная ярким диском горячего вещества, падающего внутрь нее. Хотя черные дыры известны своей способностью поглощать материю, иногда аккреция (процесс «падения» вещества на черную дыру) приводит к тому, что от ее полюсов с огромной скоростью выбрасываются струи заряженных частиц — джеты. Особенность блазаров в том, что эти джеты направлены почти точно на Землю. Это делает их идеальными объектами для изучения механизмов работы самых мощных «природных ускорителей» во Вселенной.
Много лет ученые спорили, как именно рождается рентгеновское излучение в таких экстремальных условиях. Рассматривались две основные гипотезы: или рентген испускают тяжелые частицы (протоны), которые вращаются в магнитном поле джета, или же причиной становятся легкие частицы (электроны), взаимодействующие с фотонами (частицами света). Эти два сценария можно различить по поляризации — свойству света, которое показывает, насколько упорядочены колебания электромагнитных волн.
Именно для изучения поляризации в декабре 2021 года NASA запустило уникальный космический аппарат — IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer). На сегодняшний день это единственный инструмент, способный измерять поляризацию в рентгеновских лучах. Когда в ноябре 2023 года IXPE и несколько наземных телескопов одновременно наблюдали BL Lacertae, они зафиксировали уникальное явление: в оптическом диапазоне поляризация света достигла рекордного уровня в 47,5%. «Это был не только самый поляризованный свет у BL Lac за последние 30 лет, это вообще самая высокая поляризация, когда-либо наблюдавшаяся у любого блазара», — подчеркнул Иоаннис Лиодакис из Института астрофизики FORTH в Греции.
Однако в рентгеновском диапазоне IXPE не обнаружил подобного эффекта. Уровень поляризации рентгеновского света оказался не выше 7,6%. Это наблюдение сразу исключило сценарий, при котором протоны создавали бы высокополяризованное излучение. Стало ясно: за генерацию рентгеновских лучей отвечают именно электроны. Происходит это благодаря эффекту Комптона (комптоновскому рассеянию). При этом процессе фотон сталкивается с электроном и «забирает» у него часть энергии, становясь более энергичным и «переходя» из инфракрасного или оптического диапазона в рентгеновский.
«Эффект Комптона — единственное объяснение того, почему поляризация в оптических лучах была намного выше, чем в рентгеновских», — подтвердил Стивен Элерт, научный руководитель миссии IXPE из Центра космических полетов имени Маршалла. Энрико Коста, астрофизик из Национального института астрофизики в Риме, добавил: «Мы задумали этот эксперимент еще десять лет назад. IXPE уже решила несколько важных загадок, связанных с черными дырами, но это открытие — одно из самых значимых».
Кроме того, наблюдения позволили ученым предположить механизм столь резкого увеличения оптической поляризации. По их мнению, из центральной области галактики в струю был выброшен «магнитный импульс» — нечто вроде сильно закрученной магнитной пружины. Этот импульс упорядочил магнитные поля внутри струи, резко повысив степень поляризации и яркость. Спустя две недели магнитное поле «расслабилось», вернув поляризацию к прежнему уровню. Это говорит о том, что магнитные поля не просто сопровождают поток плазмы, но и сами активно влияют на формирование джета даже на расстоянии в несколько световых лет от черной дыры.
«Теперь мы хотим найти как можно больше таких событий и объектов, — сказал Элерт. — Блазары постоянно меняются и способны преподносить сюрпризы. Наблюдая за ними, мы будем лучше понимать, как ведут себя самые мощные природные ускорители во Вселенной».
Совместная миссия NASA и Итальянского космического агентства IXPE продолжает работу и передает данные, которые уже изменили представления ученых о некоторых загадочных объектах в космосе. Проект реализуется при участии партнеров из 12 стран, а его работу координирует Центр космических полетов имени Маршалла в США.
Самое популярное
