Интенсивное свечение, исходящее от тонких потоков частиц, движущихся почти со скоростью света, позволяет наблюдать их на расстояниях в сотни миллионов и миллиарды световых лет. Источник энергии для этих потоков долгое время оставался загадкой. Тем не менее, недавние исследования позволили установить связь между такими джетами и образованием мощнейших ударных волн.
Новый космический телескоп IXPE впервые зарегистрировал поляризацию рентгеновского излучения от удаленного блазара — узкого потока частиц, извергаемых сверхмассивной черной дырой и разгоняемых до скоростей, сопоставимых со скоростью света. Исследование продемонстрировало, что мощное ускорение этой релятивистской струи обеспечивают ударные волны, формирующиеся при взаимодействии с окружающей материей. Об этом сообщается в статье, опубликованной в журнале Nature.
В ядрах крупных галактик располагаются сверхмассивные черные дыры, и многие из них проявляют активность, поглощая прилегающую материю. Материя, устремляясь в черную дыру, нагревается и разгоняется, формируя плоский диск, имеющий форму спирали. Благодаря воздействию сильных магнитных полей, определенная доля вещества выбрасывается из полюсов диска в виде узких потоков частиц, скорость которых приближается к скорости света, — релятивистских джетов.
Иногда эти джеты могут по неопределенности быть ориентированы в направлении Земли. Находясь на значительном удалении от нас, они не представляют угрозы, но позволяют детально изучать активные ядра удаленных галактик видимыми на дистанциях в миллионы и даже миллиарды световых лет. Такие объекты называются блазарами, они испускают энергию в широком диапазоне волн, охватывающем радиоволны, рентгеновское излучение и даже гамма-спектр.
Механизм ускорения джетов до сих пор остается не до конца ясным. В настоящее время наиболее распространены две гипотезы. По одной из них, источник их огромной энергии заключается в перезамыкания силовых линий магнитного поля, как это происходит с выбросами плазмы на Солнце. По другой версии, бешеное ускорение создают ударные волны, возникающие из-за столкновения джета с более медленным веществом, окружающим его источник. Такой механизм можно сравнить с движением воды, которая вырывается из узкого сопла под большим давлением.
Для проверки справедливости выдвинутой гипотезы международная команда ученых под руководством Иоанниса Лиодакиса из Университета Турку изучила удаленный блазар Маркарян 501 (Объект (Mrk 501) находится на расстоянии 450 миллионов световых лет. Для проведения наблюдений ученые использовали космический телескоп IXPE, аппарат, который был отправлен на орбиту менее года назад, обладает уникальной способностью фиксировать рентгеновское излучение и измерять его поляризацию.
В случае, если ускорение джета вызвано магнитным пересоединением, его излучение должно демонстрировать одинаковую поляризацию на всех длинах волн. Однако, если верна альтернативная гипотеза, поляризация излучения джета будет зависеть от длины волны. Частицы, проходя через фронт ударной волны, получают значительный импульс и генерируют излучение в рентгеновском диапазоне. По мере удаления от ударной волны они постепенно теряют энергию и начинают излучать на всё более длинных волнах. Соответственно, поляризация должна быть более выражена в рентгеновском диапазоне, чем в областях спектра с меньшей энергией.
При изучении Mrk 501 спутник IXPE впервые получил данные о поляризации рентгеновского излучения блазара. Зафиксировано, что она превышает аналогичный показатель для излучения с большей длиной волны. Это подтверждает предположение о том, что именно ударные волны являются причиной высокой скорости и яркости джетов.