На этом рисунке НАСА показана структура струи черной дыры, полученная по результатам недавних наблюдений блазара Маркаряна 421 с помощью программы Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE). Струя приводится в действие аккреционным диском, показанным внизу изображения, который со временем вращается вокруг черной дыры и падает в нее. Через струю проходят спиральные магнитные поля. Наблюдения IXPE показали, что рентгеновские лучи, должно быть, генерируются при ударе, возникающем внутри материала, вращающегося по спирали вокруг спиральных магнитных полей. На вставке показан сам фронт удара. Рентгеновские лучи генерируются в белой области, ближайшей к фронту ударной волны, тогда как оптическое и радиоизлучение должно исходить из более турбулентных областей, удаленных от ударной волны.
Фото: NASA / Пабло Гарсия
Вселенная полна мощных сверхмассивных черных дыр, которые создают мощные струи частиц высокой энергии, создавая источники чрезвычайной яркости на просторах космоса. Когда одна из этих струй направлена прямо на Землю, ученые называют систему черных дыр блазаром.
Чтобы понять, почему частицы в струе движутся с большими скоростями и энергиями, ученые обращаются к аппарату НАСА IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer), который был запущен в декабре 2021 года. IXPE измеряет особое свойство рентгеновского излучения, называемое поляризацией, которое связано с организацией электромагнитных волн на частотах рентгеновского излучения.
Международная команда астрофизиков опубликовала новые данные IXPE о блазаре под названием Markarian 421. Этот блазар, расположенный в созвездии Большой Медведицы, примерно в 400 миллионах световых лет от Земли, удивил ученых доказательством того, что в той части струи, где ускоряются частицы, магнитное поле имеет спиральную структуру.
"Маркарян 421 - старый друг астрономов, работающих с высокими энергиями”, - сказала астрофизик Итальянского космического агентства Лаура Ди Джезу, ведущий автор новой статьи. “Мы были уверены, что блазар станет достойной целью для IXPE, но его открытия превзошли все наши ожидания, успешно продемонстрировав, как рентгеновская поляриметрия обогащает нашу способность исследовать сложную геометрию магнитного поля и ускорение частиц в различных областях релятивистских струй”.
Струи, подобные той, что исходит от Markarian 421, могут растягиваться в длину на миллионы световых лет. Они особенно яркие, потому что, когда частицы приближаются к скорости света, они выделяют огромное количество энергии и ведут себя странным образом, который предсказал Эйнштейн. Струи блазара особенно яркие, потому что, подобно тому, как сирена скорой помощи звучит громче по мере приближения, свет, направленный на нас, также кажется ярче. Вот почему блазары могут затмевать все звезды галактик, в которых они обитают.
Несмотря на десятилетия исследований, ученые все еще не до конца понимают физические процессы, которые формируют динамику и излучение джетов блазара. Но новаторская рентгеновская поляриметрия IXPE, которая измеряет среднее направление электрического поля световых волн, дает им беспрецедентное представление об этих мишенях, их физической геометрии и источниках их излучения.
Исследовательские модели типичного истечения мощных струй обычно изображают спиральную структуру, подобную тому, как организована человеческая ДНК. Но ученые не ожидали, что структура спирали будет содержать области частиц, ускоряемых ударами.
IXPE обнаружила удивительную изменчивость угла поляризации во время трех продолжительных наблюдений Маркаряна 421 в мае и июне 2022 года.
“Мы ожидали, что направление поляризации может измениться, но мы думали, что большие вращения будут редкими, основываясь на предыдущих оптических наблюдениях многих блазаров”, - сказал Герман Маршалл, физик-исследователь из Массачусетского технологического института в Кембридже и соавтор статьи. “Итак, мы запланировали несколько наблюдений блазара, первое из которых показало постоянную поляризацию в 15%”.
Примечательно, добавил он, что первоначальный анализ данных поляризации, полученных с IXPE, показал, что она упала до нуля между первым и вторым наблюдениями.
“Затем мы поняли, что поляризация на самом деле была примерно такой же, но ее направление буквально изменило направление, повернувшись 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”.
Еще более странным было то, что одновременные оптические, инфракрасные и радиоизмерения не показали никаких изменений в стабильности или структуре вообще – даже когда поляризованное рентгеновское излучение отклонилось.Это означает, что ударная волна может распространяться вдоль спиральных магнитных полей внутри струи.
Концепция ударной волны, ускоряющей частицы джета, согласуется с теориями о Маркаряне 501, втором блазаре, наблюдаемом IXPE, что привело к опубликованному исследованию в конце 2022 года. Но его двоюродный брат Маркарян 421 показывает более четкие доказательства спирального магнитного поля, способствующего удару.
Ди Джезу, Маршалл и их коллеги стремятся провести дальнейшие наблюдения Маркаряна 421 и других блазаров, чтобы узнать больше об этих колебаниях струй и о том, как часто они происходят.
“Благодаря IXPE наступило захватывающее время для исследований астрофизических струй”, - сказал Ди Джезу.
IXPE - это сотрудничество НАСА и Итальянского космического агентства с партнерами и научными сотрудниками в 12 странах. IXPE возглавляет Центр космических полетов имени Маршалла НАСА в Хантсвилле, штат Алабама. Компания Ball Aerospace со штаб-квартирой в Брумфилде, штат Колорадо, управляет космическими аппаратами совместно с лабораторией физики атмосферы и космоса Университета Колорадо в Боулдере. Наблюдения IXPE за Markarian 421 были дополнены данными, собранными партнерскими обсерваториями в Соединенных Штатах, а также во Франции, Японии, Испании и на Крите.
Источник: НАСА
Информация о космосе также есть в сообществе в ВК https://vk.com/fotoastronomiya
