Odkryto jak powstają promienie rentgenowskie w blazarach

Międzynarodowy zespół astronomów, korzystając z kosmicznego obserwatorium NASA IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer), dokonał przełomowego odkrycia, które kończy trwającą od dziesięcioleci debatę naukową na temat mechanizmu powstawania promieni rentgenowskich w potężnych strumieniach materii wyrzucanych przez blazary. Wyniki badań opublikowano w prestiżowym czasopiśmie Astrophysical Journal Letters.

Blazary, będące specyficznym rodzajem aktywnych jąder galaktycznych, charakteryzują się wyrzucaniem potężnych strumieni materii (dżetów) skierowanych w stronę Ziemi. Obiekty te, napędzane przez supermasywne czarne dziury, zaliczają się do najjaśniejszych i najbardziej energetycznych zjawisk we Wszechświecie. Wyróżniają się też niezwykłą zmiennością emisji promieniowania w różnych zakresach widma elektromagnetycznego.

W centrum zainteresowania naukowców znalazł się BL Lacertae – jeden z pierwszych odkrytych blazarów, znajdujący się w gwiazdozbiorze Jaszczurki. W listopadzie 2023 roku astronomowie mieli wyjątkową okazję zaobserwować niezwykle rzadkie zjawisko – polaryzacja optyczna tego obiektu osiągnęła rekordową wartość 47,5%, najwyższą w 30-letniej historii jego obserwacji. Jednocześnie, pomiary wykonane za pomocą IXPE wykazały znacznie niższą polaryzację w zakresie promieni rentgenowskich – poniżej 7,6%.

Ta wyraźna różnica w poziomie polaryzacji stała się kluczowym argumentem w rozstrzygnięciu długotrwałego sporu dotyczącego mechanizmu emisji promieniowania rentgenowskiego przez blazary. Przez lata konkurowały ze sobą dwie główne teorie. Pierwsza zakładała, że promienie rentgenowskie powstają w wyniku oddziaływania protonów w polu magnetycznym. 

Alternatywna hipoteza wiązała ich powstawanie z elektronami poprzez zjawisko znane jako efekt Comptona – proces, w którym foton zmienia swoją energię i kierunek ruchu podczas zderzenia z naładowaną cząstką, najczęściej elektronem.

Dane zebrane przez IXPE jednoznacznie potwierdziły drugą teorię. Niska polaryzacja promieniowania rentgenowskiego wskazuje, że jego źródłem są ultraszybkie elektrony, przyspieszane niemal do prędkości światła i oddziałujące z fotonami w procesie rozpraszania Comptona. 

W praktyce oznacza to, że elektrony poruszające się z prędkościami bliskimi prędkości światła w dżetach blazara zderzają się z fotonami światła podczerwonego, przekształcając je w wysokoenergetyczne promieniowanie rentgenowskie.

"To jedna z największych tajemnic astrofizyki" – stwierdził Ivan Agudo, główny autor badania. 

Odkrycie to stanowi przełom w rozumieniu procesów zachodzących w bezpośrednim otoczeniu supermasywnych czarnych dziur, szczególnie w kontekście formowania się potężnych dżetów materii.

Obserwatorium IXPE, wystrzelone na orbitę 9 grudnia 2021 roku jako wspólny projekt NASA i Włoskiej Agencji Kosmicznej, jest pierwszym satelitą zdolnym do pomiaru polaryzacji promieniowania rentgenowskiego. Wyposażone w trzy specjalne teleskopy, IXPE pozwala astronomom badać orientację przestrzenną promieniowania rentgenowskiego, dostarczając cennych informacji o środowisku, z którego pochodzi to promieniowanie.

Naukowcy nie poprzestają na tym odkryciu. Planują rozszerzyć badania na inne blazary, aby sprawdzić, czy mechanizm zaobserwowany w BL Lacertae ma charakter uniwersalny. Interesującym aspektem przyszłych badań może być również analiza zależności między polaryzacją optyczną a rentgenowską, co potencjalnie może prowadzić do odkrycia nowych mechanizmów przyspieszania cząstek w dżetach.

Odkrycie to nie tylko rozwiązuje długotrwałą zagadkę astrofizyczną, ale również otwiera nowe możliwości badania najbardziej ekstremalnych środowisk we Wszechświecie, gdzie działają siły i energie przekraczające wszystko, co możemy zaobserwować na Ziemi.