Вчені розгадали таємницю рентгенівського випромінювання чорних дір

Міжнародна група астрономів, використовуючи рентгенівський поляриметричний телескоп IXPE NASA, визначила походження рентгенівських променів у джеті надмасивної чорної діри. Це питання залишалося без відповіді з найперших днів рентгенівської астрономії. Результати дослідження опубліковані в журналі The Astrophysical Journal Letters Американським астрономічним товариством 11 листопада.

Місія IXPE спостерігала за скупченням Персея, найяскравішим галактичним скупченням, яке можна спостерігати в рентгенівському діапазоні, протягом понад 600 годин упродовж 60 днів між січнем і березнем. Це не лише найдовше спостереження IXPE за одним об'єктом на сьогоднішній день, але й перший раз, коли IXPE спостерігав за галактичним скупченням.

Команда науковців вивчала поляризаційні властивості 3C 84, масивної активної галактики, розташованої в самому центрі скупчення Персея. Ця активна галактика є добре відомим джерелом рентгенівського випромінювання і звичайною ціллю для рентгенівських астрономів через свою близькість і яскравість.

Оскільки скупчення Персея є настільки масивним, воно містить величезний резервуар газу, що випромінює рентгенівські промені і є таким же гарячим, як ядро Сонця. Використання кількох рентгенівських телескопів, особливо потужності високороздільної візуалізації рентгенівської обсерваторії Chandra NASA, було важливим для розділення сигналів у даних IXPE. Вчені поєднали ці рентгенівські вимірювання з даними місії Nuclear Spectroscopic Telescope Array агентства та обсерваторії Neil Gehrels Swift.

Вимірювання поляризації від IXPE несуть інформацію про орієнтацію та вирівнювання випромінюваних рентгенівських світлових хвиль. Чим більше рентгенівських хвиль рухаються синхронно, тим вищий ступінь поляризації.

Вважається, що рентгенівські промені від активної галактики, такої як 3C 84, походять від процесу, відомого як обернене комптонівське розсіювання, коли світло відбивається від частинок і набуває енергії. Вимірювання поляризації від IXPE дозволяють ідентифікувати наявність або оберненого комптонівського розсіювання, або інших сценаріїв.

Термін «фотони-зародки» використовується для позначення низькоенергетичного випромінювання, яке проходить процес енергетизації оберненого комптонівського розсіювання.

«Хоча вимірювання поляризації 3C 84 було однією з ключових наукових цілей, ми все ще шукаємо додаткові сигнали поляризації в цьому галактичному скупченні, які могли б бути ознаками більш екзотичної фізики», — сказав Стівен Елерт, науковий співробітник проєкту IXPE та астроном у Центрі космічних польотів імені Маршалла NASA в Гантсвіллі.

«Ми вже визначили, що для таких джерел, як 3C 84, рентгенівські промені походять від оберненого комптонівського розсіювання», — сказав Іоанніс Ліодакіс, дослідник з Інституту астрофізики FORTH у Іракліоні, Греція, та провідний автор статті. «Завдяки спостереженням IXPE за 3C 84 ми отримали унікальний шанс визначити властивості фотонів-зародків».

Перший можливий сценарій походження фотонів-зародків відомий як синхротронне самокомптонівське розсіювання, коли низькоенергетичне випромінювання походить з того самого джета, який виробляє високоенергетичні частинки.

В альтернативному сценарії, відомому як зовнішнє комптонівське розсіювання, фотони-зародки походять від фонових джерел випромінювання, не пов'язаних з джетом.

«Сценарії синхротронного самокомптонівського та зовнішнього комптонівського розсіювання мають дуже різні прогнози щодо їхньої рентгенівської поляризації», — сказав Фредерік Марен, астрофізик зі Страсбурзької астрономічної обсерваторії у Франції та співавтор дослідження. «Будь-яке виявлення рентгенівської поляризації від 3C 84 майже остаточно виключає можливість зовнішнього комптонівського розсіювання як механізму випромінювання».

Протягом 60-денної кампанії спостережень оптичні та радіотелескопи по всьому світу звернули свою увагу на 3C 84, щоб додатково перевірити два сценарії.

IXPE NASA виміряв чисту поляризацію 4 відсотки в рентгенівському спектрі, з порівнянними значеннями, виміряними в оптичних та радіодіапазонних даних. Ці результати значною мірою підтверджують модель синхротронного самокомптонівського розсіювання для фотонів-зародків, де вони походять з того самого джета, що й високоенергетичні частинки.

«Розділення цих двох компонентів було важливим для цього вимірювання і не могло бути виконано жодним окремим рентгенівським телескопом, але поєднавши дані поляризації IXPE з Chandra, NuSTAR та Swift, ми змогли підтвердити, що це вимірювання поляризації було пов'язане саме з 3C 84», — сказав Судіп Чакраборті, дослідник з Інституту науки і технологій Асоціації університетських космічних досліджень у Гантсвіллі, Алабама, та співавтор статті.

Науковці продовжать аналізувати дані IXPE з різних місць у скупченні Персея для виявлення різних сигналів.

IXPE NASA є спільною місією NASA та Італійського космічного агентства з партнерами та науковими співробітниками у 12 країнах. Місія IXPE очолюється Центром космічних польотів імені Маршалла NASA в Гантсвіллі, Алабама. Компанія BAE Systems керує операціями космічного апарата разом з Лабораторією атмосферної та космічної фізики Університету Колорадо в Боулдері.