Od ponad pół wieku astrofizycy próbują odpowiedzieć na pozornie proste pytanie: gdzie dokładnie powstaje promieniowanie rentgenowskie (X) w dżetach supermasywnych czarnych dziur. Teraz, dzięki najdłuższej obserwacji pojedynczego celu przez teleskop kosmiczny IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer), ta tajemnica została w końcu rozwiązana. Międzynarodowy zespół naukowców zdołał zidentyfikować źródło promieniowania rentgenowskiego w dżecie czarnej dziury w galaktyce 3C 84 w centrum Gromady w Perseuszu, a wyniki opublikował w czasopiśmie The Astrophysical Journal Letters 11 listopada tego roku.
To punkt zwrotny dla astronomii wysokich energii: nowe pomiary pokazują, że promieniowanie rentgenowskie nie pochodzi z jakiegoś rozproszonego „tła” wokół dżetu, lecz z samego dżetu. Po raz pierwszy taki wniosek wyciągnięto na podstawie bezpośredniego pomiaru polaryzacji promieniowania rentgenowskiego, co jest specjalnością misji NASA IXPE, pierwszego obserwatorium kosmicznego przeznaczonego właśnie do tego typu obserwacji.
Gromada w Perseuszu: najjaśniejsza latarnia rentgenowska na niebie
Aby rozwiązać zagadkę, naukowcy zmienili Gromadę w Perseuszu w swoiste kosmiczne laboratorium. Ta ogromna gromada galaktyk, oznaczona w katalogach jako Abell 426, znajduje się w gwiazdozbiorze Perseusza w odległości około 230 do 240 milionów lat świetlnych od Ziemi. Gromada w Perseuszu jest jedną z najmasywniejszych struktur w naszym „sąsiedztwie” i jest znana jako najjaśniejsza gromada galaktyk na rentgenowskim niebie: między tysiącami galaktyk rozproszony jest ogromny obłok gazu rozgrzanego do temperatur porównywalnych z żarzącym się wnętrzem Słońca.
W samym centrum tej gromady znajduje się masywna galaktyka eliptyczna NGC 1275, znana również pod nazwami Perseus A lub, w katalogach radiowych, 3C 84. W jej jądrze mieści się supermasywna czarna dziura, która tworzy potężne aktywne jądro galaktyczne (AGN) i napędza dżety naładowanych cząstek z prędkościami bliskimi prędkości światła. Ze względu na względną bliskość i wyjątkową jasność, 3C 84 od dziesięcioleci jest jedną z najdokładniej badanych aktywnych galaktyk – idealnym celem do badań nad tym, jak czarne dziury kształtują swoje otoczenie.
Otoczenie wokół NGC 1275 jest szczególnie dramatyczne. Zdjęcia w zakresie rentgenowskim i radiowym pokazują jamy i „pęcherze” wydrążone przez dżety w gorącym gazie gromady, a także fale ciśnienia rozchodzące się w ośrodku wewnątrz gromady. To właśnie to turbulencyjne otoczenie długo nurtowało astronomki i astronomów: w mnóstwie nakładających się źródeł promieniowania rentgenowskiego niezwykle trudno było oddzielić sygnał pochodzący z dżetu od promieniowania emitowanego przez samą gromadę galaktyk.
IXPE: teleskop, który „widzi” orientację światła
Astronomia rentgenowska jako dyscyplina istnieje od dziesięcioleci, ale IXPE wnosi coś, czego dotąd brakowało: możliwość precyzyjnego pomiaru polaryzacji promieniowania rentgenowskiego. Polaryzacja opisuje orientację drgań fal świetlnych. Jeśli fale drgają we wszystkich kierunkach losowo, światło jest niespolaryzowane; jeśli są znacząco uporządkowane, mówimy o świetle spolaryzowanym. Właśnie ten stopień uporządkowania niesie informacje o geometrii pól magnetycznych i o procesach fizycznych, które tworzą fotony o wysokiej energii.
IXPE to wspólna misja NASA i Włoskiej Agencji Kosmicznej. Została wystrzelona w grudniu 2021 roku i jest wyposażona w trzy teleskopy, które skupiają promienie rentgenowskie na specjalnie czułych detektorach polaryzacji. Dzięki połączeniu informacji przestrzennych, spektralnych i czasowych, IXPE może „mapować”, jak światło jest spolaryzowane w różnych częściach źródła – na przykład wzdłuż dżetu czarnej dziury lub wewnątrz pozostałości po supernowej – co do tej pory nie było możliwe za pomocą żadnego innego teleskopu rentgenowskiego.
Gromada w Perseuszu nie została wybrana przypadkowo do najdłuższej jak dotąd obserwacji IXPE. Oprócz tego, że jest wyjątkowo jasna w zakresie rentgenowskim, w jej centrum znajduje się właśnie 3C 84, jedno z najsłynniejszych laboratoriów do badania fizyki dżetów. Dzięki temu misja mogła w jednej kampanii jednocześnie testować możliwości teleskopu na poziomie całej gromady galaktyk i skupić się na jednej, ale niezwykle ważnej aktywnej galaktyce w jej sercu.
Sześćdziesiąt dni nieprzerwanego patrzenia w ten sam zakątek wszechświata
Podczas 60 dni nieprzerwanej obserwacji między styczniem a marcem IXPE zebrał ponad 600 godzin danych o Gromadzie w Perseuszu. Jest to zdecydowanie najdłuższa skupiona obserwacja jednego celu w dotychczasowej pracy misji i jednocześnie pierwszy raz, kiedy IXPE w ogóle systematycznie badał jakąkolwiek gromadę galaktyk.
Tak maratońska obserwacja pozwoliła na uzyskanie wyjątkowo wysokiej jakości statystyk do pomiaru polaryzacji promieniowania rentgenowskiego, ale otworzyła również nowy problem: jak z „morza” promieniowania rentgenowskiego wydzielić wkład samej galaktyki 3C 84. Tu do gry wchodzą inne teleskopy kosmiczne. Obserwatorium rentgenowskie Chandra należące do NASA, znane ze swoich niezwykle ostrych obrazów rentgenowskich, posłużyło do precyzyjnego oddzielenia emisji dżetu od rozproszonego blasku gorącego gazu w gromadzie. Misje NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) i Neil Gehrels Swift dodały dane w wyższych zakresach energii i w szerszym przedziale czasowym.
Dopiero dzięki połączeniu wszystkich tych danych – pomiarów polaryzacji IXPE oraz obrazów i widm z Chandry, NuSTAR i Swifta – naukowcy mogli z pewnością stwierdzić: ta część sygnału rzeczywiście pochodzi z dżetu czarnej dziury w 3C 84, a nie z innego źródła w gromadzie.
Jak powstaje promieniowanie rentgenowskie w dżetach czarnych dziur
Od pewnego czasu wiadomo było, że promieniowanie rentgenowskie z dżetów aktywnych galaktyk powstaje w procesie zwanym odwrotnym rozpraszaniem Comptona. W tym procesie fotony o niższej energii – na przykład fotony radiowe lub podczerwone – „zderzają się” z bardzo szybkimi elektronami w dżecie i przy tym zyskują energię, przechodząc do zakresu rentgenowskiego. Kluczowym pytaniem było: skąd pochodzą te początkowe, tzw. „seed photons”, czyli fotony początkowe, które następnie są przyspieszane do poziomu promieniowania rentgenowskiego.
Istniały dwie główne możliwości. W scenariuszu wewnętrznego, synchrotronowego samorozpraszania (synchrotron self-Compton, SSC), fotony początkowe powstają w samym dżecie. Te same elektrony, które krążą spiralnie wokół linii pola magnetycznego i emitują promieniowanie synchrotronowe o niższej energii, następnie poprzez zderzenia ponownie podnoszą energię tych fotonów do zakresu rentgenowskiego. W alternatywnym scenariuszu zewnętrznego rozpraszania Comptona (external Compton), fotony początkowe pochodzą z „otoczenia” – z dysku akrecyjnego, obłoków gazu wokół galaktyki lub nawet z kosmicznego promieniowania tła.
Oba scenariusze mogą wyjaśnić całkowitą ilość promieniowania rentgenowskiego, którą obserwujemy, ale przewidują różne wzorce polaryzacji. Jeśli fotony pochodzą z uporządkowanego promieniowania synchrotronowego w dżecie, oczekuje się, że światło rentgenowskie będzie umiarkowanie spolaryzowane, a kierunek polaryzacji będzie powiązany z geometrią dżetu i pola magnetycznego. Jeśli natomiast fotony pochodzą ze wszystkich możliwych kierunków z zewnątrz, końcowy sygnał powinien być znacznie słabiej spolaryzowany i „rozmazany” w różnych kierunkach.
Decydujący ślad: cztery procent polaryzacji
IXPE właśnie w tym szczególe dostarczył kluczowej informacji. Pomiary pokazały, że światło rentgenowskie z 3C 84 jest spolaryzowane średnio o około 4 procent. Chociaż ta wartość na pierwszy rzut oka może wydawać się skromna, jest ona w bardzo dobrej zgodzie z przewidywaniami modelu synchrotronowego samorozpraszania i trudno ją pogodzić z dominującym zewnętrznym scenariuszem Comptona.
Co ważniejsze, jednoczesne obserwacje w zakresie optycznym i radiowym, przeprowadzone przez teleskopy na całym świecie, wykazały podobne poziomy polaryzacji i pokrewne orientacje wektorów polaryzacji. Oznacza to, że fotony w całym spektrum elektromagnetycznym – od fal radiowych po promieniowanie rentgenowskie – są tworzone i kształtowane w tym samym układzie fizycznym: w dżecie wyrzucanym przez supermasywną czarną dziurę w centrum 3C 84.
Autorzy pracy podkreślają, że już wcześniej wiedziano, iż promieniowanie rentgenowskie w źródłach takich jak 3C 84 pochodzi z odwrotnego rozpraszania Comptona, ale nie było możliwe rozstrzygnięcie, który z dwóch scenariuszy jest poprawny. IXPE po raz pierwszy umożliwił bezpośredni pomiar właściwości fotonów początkowych. Fakt, że polaryzacja została wyraźnie wykryta w promieniowaniu rentgenowskim, prawie całkowicie wyklucza możliwość, by emisja była zdominowana przez zewnętrzny mechanizm Comptona, i silnie przemawia za modelem, w którym dżet „recyklinguje” własne promieniowanie.
3C 84: jedna galaktyka, wiele ról
Galaktyka 3C 84 już od dawna jest wyjątkowa w oczach astronomów. Jako najjaśniejszy członek Gromady w Perseuszu, jest ona kluczowa dla zrozumienia, jak supermasywne czarne dziury wpływają na swoje otoczenie galaktyczne i międzygalaktyczne. Zdjęcia z teleskopu Hubble'a ujawniają złożone włókna gazu i pyłu oraz ślady zderzeń galaktyk, podczas gdy obserwacje rentgenowskie pokazują ogromne jamy, które dżety „wywierciły” w gorącym gazie gromady.
Radioteleskopy, w tym globalna sieć Event Horizon Telescope, zmapowały dżety 3C 84 w różnych skalach przestrzennych i odkryły, że prawdopodobnie ulegają one lekkiej precesji – powoli „kołyszą się” w przestrzeni – co tworzy złożone wzory w promieniowaniu radiowym. Wszystko to sprawia, że 3C 84 jest jedną z najdokładniej badanych aktywnych galaktyk i idealnym laboratorium do testowania teorii o napędzaniu dżetów, roli pól magnetycznych oraz sprzężeniu zwrotnym czarnej dziury i otaczającego gazu.
Nowe wyniki IXPE dodają teraz tej galaktyce kolejną ważną rolę: 3C 84 staje się obiektem referencyjnym dla zrozumienia, jak promieniowanie synchrotronowe i odwrotne rozpraszanie Comptona łączą się w jednolity obraz emisji dżetu w całym spektrum, od fal radiowych po rentgenowskie.
Siła wspólnej kampanii obserwatoriów kosmicznych i naziemnych
Jednym z najbardziej uderzających aspektów tych badań jest sposób, w jaki zostały przeprowadzone. IXPE nie działał sam – podczas sześćdziesięciodniowej kampanii dziesiątki teleskopów optycznych i radiowych na Ziemi okresowo kierowały swoje anteny i zwierciadła w stronę 3C 84, aby śledzić zmiany jasności i polaryzacji w różnych częściach spektrum. Jednocześnie misje kosmiczne Chandra, NuSTAR i Swift zapewniały kluczowe dane w zakresie rentgenowskim.
Taka skoordynowana wieloczęstotliwościowa kampania umożliwiła obserwację tego samego procesu fizycznego na wielu „długościach fal” jednocześnie. Gdy IXPE zmierzył około 4 procent polaryzacji w promieniowaniu rentgenowskim, naukowcy mogli sprawdzić, czy coś podobnego dzieje się w zakresie optycznym i radiowym. Fakt, że odpowiedź była twierdząca, nadał dodatkową wagę wnioskowi, że mamy do czynienia z synchrotronowym samorozpraszaniem w dżecie, a nie z przypadkową kombinacją niepowiązanych źródeł.
Projekt ilustruje również, jak nowoczesne eksperymenty astrofizyczne funkcjonują jako przedsięwzięcia globalne. W badaniach uczestniczą naukowcy i instytucje z dwunastu krajów, a misją zarządzają NASA Marshall Space Flight Center w Huntsville i Włoska Agencja Kosmiczna, przy wsparciu operacyjnym firmy BAE Systems i Laboratorium Fizyki Atmosfery i Przestrzeni Kosmicznej Uniwersytetu Colorado.
Co to odkrycie mówi nam o czarnych dziurach i wszechświecie
Choć na pierwszy rzut oka mogłoby się wydawać, że to wyspecjalizowany wynik interesujący tylko wąskie grono ekspertów, konsekwencje odkrycia sięgają znacznie dalej. Dżety supermasywnych czarnych dziur są kluczowe dla powstawania i ewolucji galaktyk oraz gromad galaktyk: ogrzewają otaczający gaz, mogą zapobiegać jego ochłodzeniu i powstawaniu nowych gwiazd oraz przekierowywać ogromne ilości energii na skale międzygalaktyczne.
Aby włączyć te procesy do symulacji komputerowych rozwoju wszechświata, musimy jak najlepiej zrozumieć, jak dżety powstają, jak przyspieszają i gdzie dokładnie wytwarzają promieniowanie, które widzimy. Nowe pomiary IXPE dostarczają ważnego elementu tej układanki, pokazując, że przynajmniej w przypadku 3C 84 kluczowa część promieniowania rentgenowskiego powstaje wewnątrz samego dżetu, i to w regionach, które już wcześniej zidentyfikowano jako strefy szoku i wzmożonego promieniowania synchrotronowego.
Wyniki posłużą jako punkt odniesienia dla przyszłych obserwacji innych aktywnych galaktyk i blazarów – obiektów, w których dżet jest skierowany prawie dokładnie w naszą stronę. Poprzez porównanie z 3C 84 astronomowie będą mogli ocenić, na ile mechanizmy powstawania promieniowania rentgenowskiego są uniwersalne, a na ile zależą od specyficznych warunków w poszczególnych galaktykach, takich jak siła pola magnetycznego czy prędkość rotacji czarnej dziury.
Następne kroki dla IXPE i badań Gromady w Perseuszu
Choć tajemnica pochodzenia promieniowania rentgenowskiego w dżecie 3C 84 została w dużej mierze rozwiązana, praca misji IXPE jest daleka od zakończenia. Naukowcy kontynuują analizę danych zebranych z innych części Gromady w Perseuszu, szukając dodatkowych sygnałów polaryzacji. Szczególnie interesują ich szersze wzorce w gazie wewnątrz gromady i potencjalne ślady jeszcze bardziej złożonych struktur pól magnetycznych w skali całej gromady.
Jednocześnie IXPE nadal obserwuje inne rodzaje źródeł: pozostałości po supernowych, pulsary, układy podwójne z czarnymi dziurami i gwiazdami neutronowymi. Każdy z tych obiektów oferuje inne „laboratorium” do testowania fizyki w ekstremalnych warunkach, od ultrasilnych pól magnetycznych po potencjały grawitacyjne, których nie można odtworzyć w laboratoriach na Ziemi.
Misja była pierwotnie planowana jako projekt czteroletni, ale dotychczasowe wyniki – w tym to odkrycie w Gromadzie w Perseuszu – pokazują, że potencjał IXPE znacznie wykracza poza początkowe oczekiwania. Dopóki teleskop i jego instrumenty pozostaną sprawne, społeczność naukowa planuje maksymalnie wykorzystać unikalną możliwość bezpośredniego pomiaru polaryzacji światła rentgenowskiego z niektórych z najsilniejszych obiektów we wszechświecie.
Gromada w Perseuszu pozostaje zatem jednym z kluczowych kosmicznych „poligonów”, na których bada się, jak supermasywne czarne dziury wpływają na setki i tysiące galaktyk oraz ogromne obłoki gorącego gazu wokół nich. Dzięki IXPE i partnerom to laboratorium jest teraz obserwowane w zupełnie nowym świetle – dosłownie i przenośnie – ujawniając nam, jak dżety czarnych dziur wytwarzają promieniowanie rentgenowskie i jaką rolę odgrywają w kształtowaniu wszechświata w największych skalach.
Szczegółowe informacje na temat celów naukowych, instrumentów i aktualnych obserwacji są dostępne na oficjalnej stronie misji IXPE.
Czas utworzenia: 8 godzin temu