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

Для чего-то, что не излучает никакого света, который мы можем обнаружить, черные дыры просто обожают окутывать себя сиянием.

Некоторые из самых ярких источников света во Вселенной исходят от сверхмассивных черных дыр. Точнее, не сами черные дыры, а материал вокруг них, поскольку они активно поглощают огромное количество материи из своего ближайшего окружения.

Самыми яркими из этих водоворотов горячего материала являются галактики, известные как блазары. Они не только светятся от жара вихревой шубы, но и направляют материал в "пылающие" лучи, которые проносятся сквозь космос, испуская электромагнитное излучение с энергией, которую трудно постичь.

Ученые наконец-то выяснили механизм, создающий невероятный высокоэнергетический свет, который доходит до нас из миллиардов лет: Ударные волны в струях черной дыры, которые увеличивают скорость частиц до умопомрачительных скоростей.

"Это 40-летняя загадка, которую мы разгадали", - говорит астроном Яннис Лиодакис (Yannis Liodakis) из Финского центра астрономии при ESO (FINCA). "Наконец-то у нас есть все кусочки головоломки, и картина, которую они составили, ясна".

Большинство галактик во Вселенной построено вокруг сверхмассивной черной дыры. Эти умопомрачительно большие объекты располагаются в галактическом центре, иногда делая очень мало (как Стрелец А*, черная дыра в центре Млечного Пути), а иногда делая очень много.

Эта деятельность заключается в аккреции материала. Огромное облако собирается в экваториальный диск вокруг черной дыры, вращаясь вокруг нее, как вода вокруг водостока. Трение и гравитационное взаимодействие в экстремальном пространстве, окружающем черную дыру, заставляют этот материал нагреваться и ярко светиться в диапазоне длин волн. Это один источник света черной дыры.

Другой - тот, который используется в блазарах - это двойные струи материала, запускаемые из полярных областей за пределами черной дыры, перпендикулярно диску. Считается, что эти струи представляют собой материал с внутреннего края диска, который, вместо того чтобы падать в сторону черной дыры, ускоряется вдоль линий внешнего магнитного поля к полюсам, где он разгоняется до очень высоких скоростей, близких к скорости света.

Чтобы галактика была классифицирована как блазар, эти струи должны быть направлены почти прямо на зрителя. Это мы, жители Земли. Благодаря экстремальному ускорению частиц, они излучают свет во всем электромагнитном спектре, включая высокоэнергетические гамма- и рентгеновские лучи.

То, как именно эта струя разгоняет частицы до таких высоких скоростей, оставалось гигантским космическим знаком вопроса на протяжении десятилетий. Но теперь новый мощный рентгеновский телескоп под названием Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE), запущенный в декабре 2021 года, дал ученым ключ к разгадке этой тайны. Это первый космический телескоп, который определяет ориентацию, или поляризацию, рентгеновских лучей.

"Первые измерения рентгеновской поляризации этого класса источников впервые позволили провести прямое сравнение с моделями, разработанными на основе наблюдений за другими частотами света, от радио до гамма-лучей очень высокой энергии", - говорит астроном Иммаколата Доннарумма (Immacolata Donnarumma) из Итальянского космического агентства.

IXPE был направлен на самый яркий высокоэнергетический объект нашего неба, блазар под названием Маркариан 501, расположенный на расстоянии 460 миллионов световых лет в созвездии Геркулеса. В течение шести дней в марте 2022 года телескоп собирал данные о рентгеновском излучении, испускаемом струей блазара.

Иллюстрация, показывающая наблюдение IXPE за Markarian 501, где свет теряет энергию по мере удаления от фронта ударной волны. (Пабло Гарсия/НАСА/MSFC)

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

Вскоре команда заметила любопытное отличие в рентгеновском свете. Его ориентация была значительно более извилистой, или поляризованной, чем у более низкоэнергетических длин волн. И оптический свет был более поляризован, чем радиочастоты.

Однако направление поляризации было одинаковым для всех длин волн и совпадало с направлением струи. Это, как обнаружила команда, согласуется с моделями, в которых ударные волны в струях производят ударные волны, которые обеспечивают дополнительное ускорение по всей длине струи. Ближе к ударной волне это ускорение достигает максимума, создавая рентгеновское излучение. Дальше по струе частицы теряют энергию, производя оптическое, а затем радиоизлучение с меньшей поляризацией.

"Когда ударная волна пересекает область, магнитное поле становится сильнее, и энергия частиц становится выше", - говорит астроном Алан Маршер (Alan Marscher) из Бостонского университета. "Энергия происходит от энергии движения материала, создающего ударную волну".

Неясно, что создает ударные волны, но один из возможных механизмов - более быстрый материал в струе догоняет более медленно движущиеся сгустки, что приводит 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 важный фрагмент головоломки.

Будущие исследования продолжат наблюдение за Markarian 501 и повернут IXPE к другим блазарам, чтобы увидеть, можно ли обнаружить подобную поляризацию.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Astronomy.

Источник: https://ufospace.net/

Рисунок художника, изображающий астрофизические струи, вырывающиеся из активного галактического ядра. (ESO/M. Kornmesser)