Wir wissen jetzt, warum Jets von Schwarzen Löchern hochenergetische Strahlung erzeugen

Aktive galaktische Kerne, die von den darin enthaltenen supermassiven Schwarzen Löchern angetrieben werden, sind die hellsten Objekte im Universum. Das Licht kommt von Materiejets, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit von der Umgebung des Schwarzen Lochs projiziert werden. In den meisten Fällen werden diese aktiven galaktischen Kerne als Quasare bezeichnet. Aber in seltenen Fällen, in denen einer der Jets direkt auf die Erde zeigt, werden sie als Blazar bezeichnet und erscheinen heller.

Obwohl ein Überblick über die Funktionsweise eines Blazars ausgearbeitet wurde, bleiben einige Details noch weitgehend unverstanden, einschließlich der Art und Weise, wie das sich schnell bewegende Material so viel Licht erzeugt. Jetzt haben Forscher ein neues Weltraumobservatorium namens the Röntgenbildpolarimetrie Entdecken (IXPE) zu einem der hellsten Blazare am Himmel. Daten aus dieser und anderen Beobachtungen zusammen zeigen, dass Licht erzeugt wird, wenn Jets aus dem Schwarzen Loch auf sich langsamer bewegende Materialien treffen.

Jets und Licht

Das IXPE ist darauf spezialisiert, die Polarisation hochenergetischer Photonen zu detektieren, dh die Ausrichtung der Wellen im elektrischen Feld des Lichts. Polarisationsinformationen können uns etwas über die Prozesse sagen, die die Photonen erzeugt haben. Zum Beispiel haben Photonen, die aus einer turbulenten Umgebung kommen, eine im Wesentlichen zufällige Polarisation, während eine stärker strukturierte Umgebung dazu neigt, Photonen mit einem begrenzten Bereich von Polarisationen zu erzeugen. Auch Licht, das Materie oder Magnetfelder durchdringt, kann seine Polarisation ändern.

Dies ist nützlich, um Blazare zu studieren. Die von diesen Objekten emittierten hochenergetischen Photonen werden durch geladene Teilchen in den Jets erzeugt. Wenn diese Objekte ihren Kurs ändern oder langsamer werden, müssen sie Energie in Form von Photonen abgeben. Da sie sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, müssen sie viel Energie abgeben, was es Blazaren ermöglicht, über das gesamte Spektrum zu emittieren, von Radiowellen bis zu Gammastrahlen, wobei einige der letzteren trotz Milliarden von Jahren bei diesen Energien verbleiben. Rotverschiebung.

Es stellt sich also die Frage, wodurch diese Teilchen abgebremst werden. Es gibt zwei Hauptideen. Einer davon ist, dass die Umgebung in den Jets turbulent ist, mit chaotischen Materialstapeln und Magnetfeldern. Dies verlangsamt die Teilchen und die ungeordnete Umgebung würde dazu führen, dass die Polarisation weitgehend zufällig wird.

Die alternative Idee beinhaltet eine Schockwelle, bei der Material aus den Jets auf langsameres Material prallt und abgebremst wird. Dies ist ein relativ geordneter Prozess, der eine Polarisation erzeugt, deren Umfang relativ begrenzt ist und die bei höheren Energien ausgeprägter wird.

Geben Sie IXPE ein

Die neue Reihe von Beobachtungen ist eine koordinierte Kampagne zur Aufzeichnung von Markarian blazar 501 mit einer Vielzahl von Teleskopen, die Polarisation bei längeren Wellenlängen erfassen, wobei das IXPE die energiereicheren Photonen handhabt. Darüber hinaus durchsuchten die Forscher die Archive mehrerer Observatorien nach früheren Beobachtungen von Markarian 501, anhand derer sie feststellen konnten, ob die Polarisation im Laufe der Zeit stabil ist.

Insgesamt lagen die gemessenen Polarisationen über das gesamte Spektrum, von Radiowellen bis zu Gammastrahlen, nur wenige Grad voneinander entfernt. Es war auch über die Zeit stabil und seine Ausrichtung nahm bei höheren Photonenenergien zu.

Es gibt immer noch eine kleine Abweichung in der Polarisation, was darauf hindeutet, dass es an der Kollisionsstelle ein relativ kleines Durcheinander gibt, was keine große Überraschung ist. Aber es ist viel weniger chaotisch, als Sie es von turbulentem Material mit komplizierten Magnetfeldern erwarten würden.

Während diese Ergebnisse Aufschluss darüber geben, wie Schwarze Löcher Licht erzeugen, beruht dieser Prozess letztendlich auf der Jet-Produktion, die viel näher am Schwarzen Loch stattfindet. Wie sich diese Jets bilden, ist immer noch nicht vollständig verstanden, sodass Menschen, die sich mit der Astrophysik von Schwarzen Löchern befassen, nach dem Feiertagswochenende immer noch einen Grund haben, wieder an die Arbeit zu gehen.

Natur2022. DOI: 10.1038/s41586-022-05338-0 (Über DOIs).