В тишине и темноте нашей Вселенной скрыты сверхмассивные черные дыры, способные генерировать мощные струи высокоэнергетических частиц. Когда одна из таких струй направлена прямо на Землю, мы наблюдаем блазар — одно из самых бурных явлений во Вселенной.
Чтобы лучше понять механизмы возникновения таких струй, причины высоких скоростей и энергий частиц, нам на помощь приходит телескоп IXPE. IXPE (аббревиатура от Imaging X-ray Polarimetry Explorer) — это космический телескоп NASA для наблюдения за рентгеновским излучением, запущенный в декабре 2021 года, способный измерять поляризацию рентгеновского излучения.
Международная группа астрофизиков опубликовала новые результаты, полученные с помощью IXPE в отношении блазара под названием Маркариан 421 (Mrk 421). В частности, ученые с удивлением обнаружили, что магнитное поле имеет спиралевидную структуру в области струи, где происходит ускорение частиц.
Маркариан 421 — блазар, который не перестает удивлять
«Маркариан 421 — старый друг астрономов высоких энергий«, — говорит астрофизик ASI Лаура Ди Джезу, первый автор исследования. «Мы были уверены, что этот блазар окажется полезной мишенью для IXPE, но результаты исследования превзошли наши самые смелые ожидания. Он успешно демонстрирует, как изучение поляризации рентгеновского излучения расширяет наши возможности по исследованию сложной геометрии магнитного поля и ускорения частиц в различных областях релятивистских струй«.
Mrk 421 находится на расстоянии около 430 млн. световых лет от нас, в созвездии Большая Медведица. Струи, подобные той, что исходит от этого блазара, могут простираться на миллионы световых лет и настолько ярки, что способны затмить все звезды в галактиках, где они расположены. Такая высокая светимость обусловлена выделением огромного количества энергии частицами, приближающимися к скорости света.
Однако, несмотря на десятилетия исследований, ученые до сих пор не до конца понимают физические процессы, определяющие динамику и эмиссию этих струй. IXPE может пролить свет на этот вопрос, предложив беспрецедентный взгляд на эти источники, их геометрию и излучение с помощью исследования рентгеновской поляризации.
Исследовательские модели, использовавшиеся до сих пор для описания истечения струй, представляют собой спиральную структуру, подобно нашей ДНК. Однако ученые не ожидали, что спиральная структура будет содержать области частиц, ускоренных ударными волнами.
Результаты наблюдений IXPE
В данном исследовании IXPE обнаружил удивительную изменчивость угла поляризации в ходе трех длительных наблюдений Mkr 421 в мае и июне 2022 года. Герман Маршалл, научный сотрудник Массачусетского технологического института в Кембридже и соавтор статьи, пояснил:
«Мы предсказывали, что направление поляризации может меняться, но, основываясь на предыдущих оптических наблюдениях многих блазаров, полагали, что большие вращения будут редкими. Поэтому мы запланировали несколько наблюдений«.
При первоначальном анализе данных команда заметила, что между первым и вторым наблюдением поляризация упала до нуля.
Но затем они поняли, что поляризация все еще присутствует, только ее направление всего за два дня изменилось почти на 180 градусов, как бы образуя перевернутую букву U. Во время третьего наблюдения направление поляризации продолжало меняться с той же скоростью. Все эти изменения очень удивили исследователей.
Еще более удивительным для них оказался тот факт, что измерения в оптическом, инфракрасном и радиодиапазонах не показали никаких изменений. А вот в рентгеновских лучах — да. Это означает, что ударная волна может распространяться вдоль спиральных магнитных полей в струе блазара. Эта гипотеза согласуется с теориями, разработанными для Маркариана 501, другого блазара, наблюдавшегося IXPE. Однако на Mkr 421 имеются более убедительные доказательства того, что спиральное магнитное поле способствует возникновению ударной волны в частицах.
Ди Джезу, Маршалл и их исследовательская группа должны провести дальнейшие наблюдения Маркариана 421 и других блазаров, чтобы получить более четкое представление и лучше понять механизмы, лежащие в основе джетов.