Телескоп IXPE розкрив таємницю рентгенівського випромінювання чорної діри

Міжнародна команда астрономів здійснила важливе відкриття щодо природи рентгенівського випромінювання, яке утворюється в релятивістських струменях надмасивних чорних дір. Дослідження проводилося за допомогою рентгенівського поляриметричного телескопа IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) космічного агентства NASA.

Об'єктом спостереження став блазар BL Lacertae — надмасивна чорна діра, оточена яскравим диском речовини та потужними струменями, спрямованими у бік Землі. Цей об'єкт є одним із перших відкритих блазарів, який спочатку вважали змінною зорею в сузір'ї Ящірки.

Перед астрофізиками стояло завдання розв'язати давню загадку: який саме механізм відповідає за утворення рентгенівського випромінювання в релятивістських струменях. Існували дві конкуруючі гіпотези — одна пов'язана з протонами, інша — з електронами.

«Це була одна з найбільших таємниць щодо струменів надмасивних чорних дір», — зазначив доктор Іван Агудо з Інституту астрофізики Андалусії. «І IXPE, за підтримки низки наземних телескопів, нарешті надав нам інструменти для її розв'язання».

Ключем до розгадки стало вимірювання поляризації — властивості світла, яка описує середній напрямок електромагнітних хвиль. Висока поляризація рентгенівського випромінювання вказувала б на те, що воно утворюється протонами, які обертаються в магнітному полі струменя або взаємодіють з фотонами. Натомість низький ступінь поляризації свідчив би про взаємодію електронів з фотонами.

IXPE — єдиний сучасний супутник, здатний здійснювати такі поляризаційні вимірювання. Спостереження за BL Lacertae тривали сім днів у листопаді 2023 року. Одночасно кілька наземних телескопів вимірювали оптичну та радіополяризацію.

Під час спостережень стався цікавий збіг — оптична поляризація BL Lacertae досягла рекордного значення 47,5%. «Це не лише найвища поляризація BL Lacertae за останні 30 років, але й найвища поляризація, коли-небудь зафіксована для будь-якого блазара», — підкреслив доктор Іоанніс Ліодакіс з Інституту астрофізики FORTH.

Дослідники виявили, що рентгенівське випромінювення мало значно нижчий ступінь поляризації порівняно з оптичним світлом. Вони не змогли виміряти сильний поляризаційний сигнал і встановили, що поляризація рентгенівського випромінювання не може перевищувати 7,6%.

Це спостереження довело, що рентгенівське випромінювання утворюється внаслідок взаємодії електронів з фотонами через ефект Комптона — процес, при якому фотон втрачає або набуває енергії після взаємодії з зарядженою частинкою, зазвичай електроном. У струменях надмасивних чорних дір електрони рухаються зі швидкістю, близькою до швидкості світла, і мають достатньо енергії, щоб розсіювати фотони інфрачервоного світла до рентгенівських довжин хвиль.

«Той факт, що оптична поляризація була настільки вищою, ніж у рентгенівських променях, можна пояснити лише комптонівським розсіюванням», — пояснив доктор Стівен Елерт, науковий керівник проєкту IXPE з Космічного центру Маршалла.

«IXPE розв'язав ще одну загадку чорних дір», — додав доктор Енріко Коста з Інституту астрофізики та планетології Національного інституту астрофізики. «Поляризоване рентгенівське бачення IXPE розв'язало кілька давніх таємниць, і це одна з найважливіших. В інших випадках результати IXPE кидали виклик усталеним думкам і відкривали нові загадки, але саме так працює наука, і IXPE, безперечно, робить дуже якісну наукову роботу».

Результати дослідження опубліковано в журналі Astrophysical Journal Letters.