Мы наконец-то знаем, как черные дыры производят самый яркий свет во Вселенной

Что-то, что не излучает свет, который мы можем обнаружить, черные дыры просто любят маскироваться в сиянии.

На самом деле часть самого яркого света во Вселенной исходит от сверхмассивных черных дыр. Ну, на самом деле не сами черные дыры; это материал вокруг них, поскольку они активно поглощают огромное количество материи из своего непосредственного окружения.

Среди самых ярких из этих водоворотов вращающегося горячего материала есть галактики, известные как блазары. Они не только светятся теплом кружащегося пальто, но и направляют материал в виде «пылающих» лучей, которые проносятся через космос, испуская электромагнитное излучение с энергиями, которые трудно понять.

Ученые наконец-то выяснили. выяснили механизм производства невероятного высокоэнергетического света, который доходит до нас миллиарды лет назад: толчки в струях черной дыры, которые увеличивают скорость частиц до умопомрачительных скоростей.

«Это 40 загадка, которую мы разгадали», — говорит астроном Яннис Лиодакис из Финского центра астрономии совместно с ESO (FINCA). «Наконец-то у нас были все кусочки головоломки, и картина, которую они сделали, стала ясной».

Большинство галактик во Вселенной построены вокруг сверхмассивной черной дыры. Эти ошеломляюще большие объекты находятся в галактическом центре, иногда делая очень мало (например, Стрелец А*, черная дыра в сердце Млечного Пути), а иногда делая очень много.

Эта деятельность состоит из срастающийся материал. Огромное облако собирается в экваториальный диск вокруг черной дыры, кружа вокруг нее, как вода вокруг водостока. Взаимодействие трения и гравитации в экстремальном пространстве, окружающем черную дыру, заставляет этот материал нагреваться и ярко светиться в диапазоне длин волн. Это один источник света черной дыры.

Другой — тот, что задействован в блазарах — представляет собой двойные струи вещества, вылетающие из полярных регионов за пределами черной дыры, перпендикулярно диску. Считается, что эти струи представляют собой материал с внутреннего края диска, который вместо того, чтобы падать на черную дыру, ускоряется вдоль внешних силовых линий магнитного поля к полюсам, где он выбрасывается с очень высокой скоростью, близкой к скорости света. .

Чтобы галактику можно было классифицировать как блазар, эти джеты должны быть почти прямо направлены на наблюдателя. Это мы, на Земле. Благодаря экстремальному ускорению частиц они излучают свет во всем электромагнитном спектре, включая высокоэнергетическое гамма- и рентгеновское излучение.

Как именно эта струя разгоняет частицы до таких высоких скоростей, остается гигантским космическим вопросом. отметка на десятилетия. Но теперь мощный новый рентгеновский телескоп под названием Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE), запущенный в декабре 2021 года, дал ученым ключ к разгадке тайны. Это первый космический телескоп, обнаруживающий ориентацию или поляризацию рентгеновских лучей.

«Первые измерения поляризации рентгеновских лучей этого класса источников впервые позволили провести прямое сравнение с модели, разработанные на основе наблюдения других частот света, от радио до гамма-лучей очень высокой энергии», — говорит астроном Иммаколата Доннарумма из Итальянского космического агентства.

IXPE был обращен к самому яркому высокоэнергетическому объекту на нашем небе. , блазар под названием Маркарян 501, расположенный в 460 миллионах световых лет от нас в созвездии Геркулеса. В течение шести дней в марте 2022 года телескоп собирал данные о рентгеновском излучении струи блазара.

В то же время другие обсерватории измеряли свет в других диапазонах длин волн, от радио до оптического, которые ранее были единственными доступными данными для Маркаряна 501. .

Команда вскоре заметила любопытную разницу в рентгеновском свете. Его ориентация была значительно более искривленной или поляризованной, чем у длин волн с более низкой энергией. И оптический свет был более поляризован, чем радиочастоты.

Однако направление поляризации было одинаковым для всех длин волн и совпадало с направлением струи. Команда обнаружила, что это согласуется с моделями, в которых толчки в струях создают ударные волны, которые обеспечивают дополнительное ускорение по длине струи. Ближе всего к удару, это ускорение максимально, производя рентгеновское излучение. Дальше по струе частицы теряют энергию, производя оптическое, а затем и радиоизлучение меньшей энергии с меньшей поляризацией.

«По мере того, как ударная волна пересекает область, магнитное поле становится сильнее, и энергия частиц становится выше», — говорит астроном Алан Маршер из Бостонского университета. «Энергия исходит от энергии движения материала, создающего ударную волну».

Неясно, что создает ударную волну, но один из возможных механизмов — более быстрый материал в струе догоняет более медленные комки. приводящие к столкновениям. Будущие исследования могут помочь подтвердить эту гипотезу.

Поскольку блазары являются одними из самых мощных ускорителей частиц во Вселенной и одной из лучших лабораторий для понимания экстремальной физики, это исследование представляет собой довольно важную часть головоломки.

В будущих исследованиях будут продолжены наблюдения за Markarian 501 и обращение IXPE к другим блазарам, чтобы увидеть, можно ли обнаружить подобную поляризацию.

Исследование опубликовано в Nature Astronomy.