Știm în sfârșit cum găurile negre produc cea mai strălucitoare lumină din univers: ScienceAlert

Pentru ceva care nu emite lumină pe care le putem detecta, găuri negre iubesc să se acopere de strălucire.

De fapt, o parte dintre cele mai strălucitoare lumini din Univers provine din găurile negre supermasive. Ei bine, nu chiar găurile negre în sine; este materialul care îi înconjoară, deoarece absorb activ cantități mari de materie din mediul lor imediat.

Printre cele mai strălucitoare dintre aceste vâltoare de materie fierbinte învolburată se numără galaxiile cunoscute sub numele de blazarii. Nu numai că strălucesc de căldura unei mantale învolburate, dar și canalizează materia în fascicule „aprinzătoare” care trage prin cosmos, emitând radiații electromagnetice la energii greu de înțeles.

Oamenii de știință au descoperit în sfârșit mecanismul care produce incredibila lumină de înaltă energie care ajunge la noi cu miliarde de ani în urmă: șocuri în gaură neagrăJeturile lui care măresc viteza particulelor la viteze uluitoare.

„Este un mister vechi de 40 de ani pe care l-am rezolvat”, spune astronomul Yannis Liodakis al Centrului Finlandez de Astronomie cu ESO (FINCA). „În sfârșit am avut toate piesele puzzle-ului și imaginea pe care au făcut-o a fost clară”.

Majoritatea galaxiilor din Univers sunt construite în jurul unei găuri negre supermasive. Aceste obiecte uluitor de mari stau în centrul galactic, uneori fac foarte puțin (cum ar fi Săgetător A*gaura neagră din inima Căii Lactee) și uneori făcând multe.

Această activitate constă din materie acumulată. Un nor vast se adună într-un disc ecuatorial în jurul găurii negre, încercuind-o ca și cum apă în jurul unui canal de scurgere. Interacțiunile de frecare și gravitaționale care se desfășoară în spațiul exterior din jurul unei găuri negre determină ca acest material să se încălzească și să strălucească pe o gamă de lungimi de undă. Este una dintre sursele de lumină ale unei găuri negre.

Celălalt – cel aflat în joc în blazarii – sunt jeturi gemene de materie lansate din regiunile polare din afara găurii negre, perpendicular pe disc. Se crede că aceste jeturi sunt materiale de pe marginea interioară a discului care, în loc să cadă spre gaura neagră, sunt accelerate de-a lungul liniilor exterioare ale câmpului magnetic spre poli, unde sunt lansate la viteze foarte mari, aproape de viteza de ușoară. .

Pentru ca o galaxie să fie clasificată drept blazar, aceste avioane trebuie să fie îndreptate aproape direct către privitor. Suntem noi pe Pământ. Datorită accelerației extreme a particulelor, acestea radiază lumină pe întregul spectru electromagnetic, inclusiv cu raze gamma și X de înaltă energie.

Modul exact în care acest jet accelerează particulele la viteze atât de mari a fost un semn de întrebare cosmic uriaș de zeci de ani. Dar acum, un nou telescop cu raze X puternic numit Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE), lansat în decembrie 2021, le-a oferit oamenilor de știință cheia pentru rezolvarea misterului. Este primul telescop spațial care dezvăluie orientarea sau polarizarea razelor X.

„Primele măsurători ale polarizării cu raze X ale acestei clase de surse au permis, pentru prima dată, o comparație directă cu modele dezvoltate din observarea altor frecvențe ale luminii, de la radio la razele gamma de energie foarte mare”, spune astronomul Immacolata Donnarumma al Agenției Spațiale Italiene.

IXPE sa întors către cel mai strălucitor obiect de înaltă energie pe cerul nostru, un blazar numit Markarian 501, situat la 460 de milioane de ani lumină distanță, în constelația lui Hercule. Pentru un total de șase zile în martie 2022, telescopul a colectat date despre lumina cu raze X emisă de jetul blazar.

În același timp, alte observatoare măsurau lumina din alte game de lungimi de undă, de la radio la optică, care erau anterior singurele date disponibile pentru Markarian 501.

Echipa a observat rapid o diferență curioasă în lumina cu raze X. Orientarea acesteia a fost semnificativ mai răsucită, sau polarizată, decât lungimile de undă cu energie joasă. Iar lumina optică era mai polarizată decât frecvențele radio.

Cu toate acestea, direcția de polarizare a fost aceeași pentru toate lungimile de undă și aliniată cu direcția jetului. Echipa a descoperit că acest lucru este în concordanță cu modelele în care șocurile din avioane produc unde de șoc care oferă o accelerație suplimentară de-a lungul lungimii jetului. Cel mai apropiat de șoc, această accelerație este la maxim, producând radiații de raze X. Mai departe de-a lungul jetului, particulele pierd energie, producând o emisie optică apoi radio de energie mai mică, cu o polarizare mai slabă.

„Pe măsură ce unda de șoc trece prin regiune, câmpul magnetic devine mai puternic și energia particulelor crește.” spune astronomul Alan Marscher de la Universitatea din Boston. „Energia provine din energia de mișcare a materialului care produce unda de șoc”.

Nu este clar ce provoacă șocurile, dar un posibil mecanism este materialul mai rapid din jet care ajunge din urmă cu aglomerări mai lente, ceea ce duce la coliziuni. Cercetările viitoare ar putea ajuta la confirmarea acestei ipoteze.

Având în vedere că blazarii sunt printre cei mai puternici acceleratori de particule din Univers și unul dintre cele mai bune laboratoare pentru înțelegerea fizicii extreme, această cercetare marchează o piesă destul de importantă a puzzle-ului.

Cercetările viitoare vor continua să observe Markarian 501 și să transforme IXPE către alți blazari pentru a vedea dacă poate fi detectată o părtinire similară.

Cercetarea a fost publicată în astronomie naturală.