Strumień promieniowania rentgenowskiego z odległej galaktyki

dnia 02/02/2016

pictora

W filmach serii Gwiezdne Wojny mogliśmy oglądać fikcyjną „Gwiazdę Śmierci”, która może strzelać potężnymi strumieniami silnego promieniowania. Wszechświat jednak często posiada w swoim arsenale zjawiska, które znacznie przekraczają wyobraźnię twórców gatunku sci-fi.

Galaktyka Pictor A to jest jeden z takich niesamowitych obiektów. Owa galaktyka, znajdująca się prawie 500 milionów lat świetlnych od Ziemi, zawiera w swoim wnętrzu supermasywną czarną dziurę. Potężna ilość energii grawitacyjnej uwalniana jest przez materię spiralnie opadającą w kierunku horyzontu zdarzeń, punktu bez powrotu dla opadającej materii. Owa energia uwalniana jest w postaci potężnych promieni – dżetów cząsteczek emitowanych z prędkością bliską prędkości światła w przestrzeń międzygalaktyczną.

Do stworzenia zdjęć tego dżetu naukowcy wykorzystali Obserwatorium Rentgenowskie Chandra zwracając jego instrumenty w kierunku Pictor A kilkukrotnie w ciągu 15 lat obserwacji. Dane rentgenowskie z Chandry (kolor niebieski) zostały połączone z danymi radiowymi zarejestrowanymi za pomocą Australia Telescope Compact Array (kolor czerwony) – w ten sposób powstało powyższe zdjęcie.

Badając szczegóły struktury widzianej powyżej w zakresie rentgenowskim i radiowym astronomowie próbują lepiej zrozumieć te potężne, skolimowane strumienie promieniowania.

Dżet (po prawej) w galaktyce Pictor A to najbliższy znany nam obiekt tego typu. Widać w nim ciągły strumień emisji rentgenowskiej rozciągający się na ponad 300 000 lat świetlnych. Dla porównania, średnica Drogi Mlecznej, naszej galaktyki to „zaledwie” 100 000 lat świetlnych. Dzięki niewielkiej odległości i zdolności Chandry do wykonywania bardzo szczegółowych obrazów w zakresie rentgenowskim naukowcy mogli dokładnie przyjrzeć się dżetom i ich budowie, a następnie spróbować zrozumieć mechanizmy odpowiadające za ich powstawanie.

Oprócz wyraźnego dżetu skierowanego w prawo na zdjęciu, naukowcy dostrzegli także dowody na istnienie drugiego dżetu emitowanego w przeciwnym kierunku, tzw. kontradżetu. Mimo, że już wcześniej podejrzewano istnienie tego dżetu, nowe dane z obserwatorium Chandra potwierdzają jego istnienie. Kontradżet skierowany jest w przeciwną stronę, w kierunku „od Ziemi” dlatego na zdjęciu jest dużo słabszy.

pictora_annotated_1a

Zdjęcie z opisem przedstawia położenie supermasywnej czarnej dziury, dżetu i kontradżetu. Oprócz tego na zdjęciu zaznaczono „płaty radiowe”, w miejscach gdzie dżet zderza się z gazem międzygalaktycznym oraz „gorące plamy” (hotspot) spowodowane przez powstającą przed dżetem falę uderzeniową – podobną do fali uderzeniowej powstającej za samolotem lecącym z prędkością naddźwiękową – tuż przed dżetem.

Właściwości dżetu i kontradżetu obserwowanych przez obserwatorium Chandra wskazują, że emisja rentgenowska prawdopodobnie spowodowana jest przez elektrony spiralnie poruszające się wokół linii pola magnetycznego, w procesie zwanym emisją synchrotronową. W tym przypadku elektrony muszą być stale przyspieszane poruszając się wzdłuż dżetu. Jaki mechanizm za to odpowiada na razie nie wiadomo.

W tym przypadku naukowcy wykluczyli inny mechanizm powstawania emisji rentgenowskiej w dżecie. Mowa o mechanizmie, w którym elektrony uciekające z czarnej dziury z prędkością bliską prędkości światła poruszają się w morzu kosmicznego promieniowania tła (CMB) będącego pozostałością po gorącej wczesnej fazie ewolucji Wszechświata tuż po Wielkim Wybuchu. Gdy szybko poruszający się elektron zderza się z fotonem CMB, może zwiększyć jego energię przesuwając jego promieniowanie w zakres rentgenowski.

Jasność rentgenowska dżetu zależy od mocy strumienia elektronów i intensywności promieniowania tła. Stosunkowa jasność promieniowania rentgenowskiego pochodzącego z dżetu i kontradżetu w Pictor A nie zgadza się ze stosunkiem przewidywanym w procesie obejmującym CMB tym samym eliminując CMB jako źródło promieniowania rentgenowskiego w przypadku tego dżetu.

Artykuł naukowy opisujący te wyniki  został opublikowany w periodyku Monthly Notices of the Royal Astronomical Society i jest dostępny online. Autorami artykułu są Martin Hardcastle z University of Hertfordshire w Wielkiej Brytanii, Emil Lenc z University of Sydney w Australii, Mark Birkinshaw z University of Bristol w Wielkiej Brytanii, Judith Croston z University of Southampton w Wielkiej Brytanii, Joanna Goodger z University of Hertfordshire, Herman Marshall z MIT w Camrbidge, Eric Perlman z Florida Institute of Technology, Aneta Siemiginowska z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics w Cambridge, Łukasz Stawarz z Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie oraz Diana Worrall z University of Bristol.

Źródło: NASA