Струю белого света, пронизывающую пространство!
Миссия НАСА наблюдала сверхмассивную черную дыру, направляющую свою высокоэнергетическую струю прямо на Землю. Но пока не паникуйте. Каким бы устрашающим ни было это космическое событие, оно находится на очень безопасном расстоянии - около 400 миллионов световых лет от нас.
Активно питающиеся сверхмассивные черные дыры, включая ту, что находится под рукой, окружены вращающимися дисками материи, называемыми аккреционными дисками, которые постепенно подпитывают их с течением времени. Часть материала, который они не поглощают, затем направляется к их полюсам, где впоследствии выбрасывается с околосветовой, или релятивистской, скоростью. Это создает высокоэнергетическое и чрезвычайно яркое электромагнитное излучение. В некоторых случаях, как в случае с последним проектом НАСА muse, этот реактивный самолет направлен прямо на Землю. Эти события известны как блазары.
Этот блазар, получивший обозначение Markarian 421 и расположенный в созвездии Большой Медведицы, наблюдался с помощью рентгеновского поляриметрического прибора NASA Imaging (IXPE), который был запущен в декабре 2021 года. IXPE наблюдает свойство магнитных полей, называемое поляризацией, которое относится к ориентации полей. Поляризация струи, выброшенной Markarian 421, стала сюрпризом для астрономов, показав, что в той части струи, где ускоряются частицы, также присутствует магнитное поле со спиральной структурой.
Струи блазара могут простираться в космосе на миллионы световых лет, но механизмы, которые их запускают, еще недостаточно изучены. Однако эти новые открытия, связанные со струей Маркаряна 421, могут пролить некоторый свет на это экстремальное космическое явление.
"Markarian 421 - старый друг астрономов высоких энергий", - говорится в заявлении ведущего исследователя discovery и астрофизика Итальянского космического агентства Лауры Ди Джезу. "Мы были уверены, что блазар станет достойной мишенью для IXPE, но его открытия превзошли наши лучшие ожидания, успешно продемонстрировав, как рентгеновская поляриметрия расширяет наши возможности для исследования сложной геометрии магнитного поля и ускорения частиц в различных областях релятивистских струй".
IXPE погружается глубже в запутанную структуру струй блазара
Основная причина, по которой струи, питающие сверхмассивные черные дыры, такие яркие, заключается в том, что частицы, приближающиеся к скорости света, выделяют огромное количество энергии и ведут себя в соответствии с физикой специальной теории относительности Эйнштейна.
Струи блазара также получают дополнительный импульс к такой яркости, потому что их ориентация на нас приводит к тому, что длины волн света, связанные с их струями, "сгущаются", увеличивая как их частоты, так и энергию. Это похоже на то, как звуковые волны от сирены приближающейся машины скорой помощи "сгущаются", вызывая увеличение частоты, что делает звук более пронзительным.
В результате этих двух эффектов блазары часто могут затмевать совокупный свет каждой звезды в галактиках, в которых они находятся. И теперь IXPE использовала этот свет, чтобы нарисовать картину физики, происходящей в сердце реактивного самолета Markarian 421, и даже определить точку происхождения светящегося луча.
Ранее модели блазарных струй намекали на то, что они сопровождаются спиральными магнитными полями, почти как ДНК в живых клетках, за исключением того, что они одноцепочечные, а не двухцепочечные. Однако чего не было предсказано, так это того факта, что в магнитной спирали будут находиться области, где частицы ускоряются.
Т-образный спутник в космосе
"Мы ожидали, что направление поляризации может измениться, но мы думали, что большие вращения будут редкостью, основываясь на предыдущих оптических наблюдениях многих блазаров”, - сказал соавтор исследования и физик Массачусетского технологического института Герман Маршал. "Итак, мы запланировали несколько наблюдений за блазаром, причем первое показало постоянную поляризацию в 15%".
Еще более примечательно, что анализ данных IXPE показал, что поляризация струи снизилась до 0% между первым и вторым наблюдениями. Это показало команде, что магнитное поле вращалось подобно штопору.
"Мы признали, что поляризация на самом деле была примерно такой же, но ее направление буквально развернулось, развернувшись почти на 180 градусов за два дня", - сказал Маршалл. "Затем, во время третьего наблюдения, которое началось днем позже, мы снова удивились, обнаружив, что направление поляризации продолжает вращаться с той же скоростью".
Струя света, пронизывающая пространство
Во время этих маневров измерения электромагнитного излучения в виде оптического, инфракрасного и радиосигнала не показали никакого влияния на стабильность и структуру самой струи, даже когда рентгеновское излучение действительно менялось. Это подразумевало ударную волну, распространяющуюся вдоль скрученного магнитного поля от Маркаряна 421.
Намеки на такое явление однажды были замечены в струе другого блазара, засвидетельствованного IXPE, Markarian 501, но новые результаты команды представляют собой более четкое доказательство того, что спиральное магнитное поле действительно способствует распространению ударной волны, которая разгоняет частицы струи до релятивистских скоростей.
Команда, стоящая за этой работой, намерена продолжить изучение Markarian 421, а также идентифицировать другие блазары, чтобы найти некоторые из них с аналогичными качествами в стремлении раскрыть механизм, который приводит в действие экстремальные и яркие выбросы, характерные для этих явлений.
"Благодаря IXPE наступило захватывающее время для исследований астрофизических струй", - заключил Ди Джезу.