Kosmiczny teleskop IXPE pomógł właśnie rozwiązać długotrwałą zagadkę dotyczącą pochodzenia promieni rentgenowskich w potężnych dżetach emitowanych przez supermasywne czarne dziury. Obserwując blazar BL Lacertae, aktywną galaktykę z dżetami skierowanymi niemal bezpośrednio w kierunku Ziemi, naukowcy potwierdzili, że za obserwowane emisje promieni rentgenowskich odpowiadają wysokoenergetyczne elektrony, a nie protony. Odkrycie dostarcza kluczowych spostrzeżeń na temat ekstremalnej fizyki otoczenia czarnych dziur.
BL Lacertae, jeden z pierwszych znanych blazarów, stanowi idealny cel dla IXPE i sieci naziemnych teleskopów optycznych i radiowych. Naukowcy od dawna zastanawiali się nad tym, czy za promienie rentgenowskie widoczne w takich dżetach odpowiadają protony czy elektrony. Co do zasady obie te cząstki pozostawiłby wyraźny ślad w polaryzacji światła rentgenowskiego. Polaryzacja opisuje orientację fal elektromagnetycznych w wiązce światła, a jej stopień może wskazywać na proces, który wygenerował promieniowanie.
Silnie spolaryzowane promienie rentgenowskie sugerowałyby interakcje fotonów z z protonami lub te ruch protonów w polach magnetycznych. Alternatywnie, niższe poziomy polaryzacji wspierałyby scenariusz, w którym to elektrony rozpraszają fotony w procesie rozpraszania Comptona. Do tej pory rozróżnienie tych teorii było niemożliwe z powodu braku precyzyjnych pomiarów polaryzacji — czegoś, do czego IXPE został specjalnie zaprojektowany.
IXPE, który został wystrzelony w grudniu 2021 r., jest obecnie jedynym satelitą zdolnym do wykonywania takich badań polaryzacji promieni rentgenowskich. Pod koniec listopada 2023 r. teleskop skierował się w stronę BL Lacertae i rozpoczął tygodniową kampanię obserwacyjną, jednocześnie koordynowaną z teleskopami mierzącymi polaryzację w zakresie promieniowania optycznego i radiowego. W tym okresie blazar wykazywał wyjątkowo wysoki stopień polaryzacji w zakresie optycznym, osiągając szczyt na poziomie 47,5 procent — najwyższy, jaki kiedykolwiek zarejestrowano nie tylko dla BL Lac, ale dla jakiegokolwiek blazara.
Co jednak ciekawe, IXPE wykrył, że promienie X były znacznie mniej spolaryzowane, z górnym ograniczeniem na poziomie 7,6 procent. Ta uderzająca różnica wyraźnie wskazywała na rozpraszanie Comptona jako dominujący mechanizm generowania promieni X. Szybko poruszające się elektrony w dżecie, poruszające się z prędkością bliską prędkości światła, rozpraszały fotony podczerwone o niższej energii, przesuwając je do zakresu promieni X.
Odkrycie opublikowane na serwerze preprintów arXiv i przeznaczone do publikacji w periodyku Astrophysical Journal Letters, stanowi ważny kamień milowy dla IXPE. Unikalna zdolność teleskopu do pomiaru polaryzacji promieni X definitywnie odpowiedziała na jedno z kluczowych pytań dotyczących dżetów czarnych dziur. Wyniki badań potwierdzają również, że interakcje elektron-foton dominują nad mechanizmami opartymi na protonach, przynajmniej w dżetach czarnych dziur.
Naukowcy patrzą teraz w przyszłość i już teraz nie mogą się doczekać obserwacji większej liczby blazarów w różnych stadiach aktywności. Wiadomo, że te zagadkowe kosmiczne latarnie zmieniają się z czasem i często zaskakują astronomów swoim nieprzewidywalnym zachowaniem. Może się zatem okazać, że jeszcze nie raz nas zaskoczą.
Źródło: ApJL