Više od pola stoljeća astrofizičari pokušavaju odgovoriti na naizgled jednostavno pitanje: gdje točno nastaju rendgenske (X) zrake u mlazovima supermasivnih crnih rupa. Sada je, zahvaljujući najduljem promatranju jedne mete svemirskim teleskopom IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer), taj misterij napokon razriješen. Međunarodni tim znanstvenika uspio je identificirati izvor X-zraka u mlazu crne rupe u galaksiji 3C 84 u središtu Perzejeva skupa galaksija, a rezultate je objavio u časopisu The Astrophysical Journal Letters 11. studenoga ove godine.
Riječ je o prekretnici za visokoenergijsku astronomiju: nova mjerenja pokazuju da X-zrake ne dolaze iz neke difuzne „pozadine” oko mlaza, nego iz samog mlaza. To je prvi put da je takav zaključak donesen izravnim mjerenjem polarizacije X-zraka, što je specijalnost NASA-ine misije IXPE, prve svemirske opservatorije namijenjene upravo tom tipu opažanja.
Perzejev skup: najblistaviji rendgenski svjetionik na nebu
Kako bi riješili misterij, znanstvenici su Perzejev skup pretvorili u svojevrsni kozmički laboratorij. Taj golemi skup galaksija, u katalozima označen kao Abell 426, smješten je u zviježđu Perzeja na udaljenosti od otprilike 230 do 240 milijuna svjetlosnih godina od Zemlje. Perzejev skup jedna je od najmasivnijih struktura u našem „susjedstvu” i poznat je kao najblistaviji skup galaksija na rendgenskom nebu: između tisuća galaksija raspršen je golemi oblak plina zagrijanog na temperature usporedive s užarenom unutrašnjošću Sunca.
U samom središtu tog skupa nalazi se masivna eliptična galaksija NGC 1275, poznata i pod imenima Perseus A ili, u radio-katalozima, 3C 84. U njenoj jezgri smještena supermasivna crna rupa koja stvara snažnu aktivnu galaktičku jezgru (AGN) i pokreće mlazove nabijenih čestica gotovo svjetlosnim brzinama. Zbog relativne blizine i iznimne sjajnosti, 3C 84 već desetljećima je jedna od najdetaljnije proučavanih aktivnih galaksija – idealna meta za istraživanje kako crne rupe oblikuju svoje okruženje.
Okoliš oko NGC-a 1275 posebno je dramatičan. Snimke u rendgenskom i radio-području pokazuju šupljine i „mjehure” koje su mlazovi izdubili u vrućem plinu skupa, kao i valove tlaka koji se šire kroz intraklasterski medij. Upravo taj turbulentni okoliš dugo je mučio astronomkinje i astronome: u mnoštvu preklopljenih izvora X-zraka bilo je iznimno teško odvojiti signal koji dolazi iz mlaza od zračenja koje emitira sam skup galaksija.
IXPE: teleskop koji „vidi” orijentaciju svjetlosti
Rendgenska astronomija kao disciplina postoji desetljećima, no IXPE donosi nešto što je dosad nedostajalo: mogućnost preciznog mjerenja polarizacije rendgenskog zračenja. Polarizacija opisuje orijentaciju titranja svjetlosnih valova. Ako valovi titraju u svim smjerovima nasumično, svjetlost je nepolarizirana; ako su značajno poravnati, govorimo o polariziranoj svjetlosti. Upravo taj stupanj poravnanja nosi informacije o geometriji magnetskih polja i o fizičkim procesima koji stvaraju fotone visoke energije.
IXPE je zajednička misija NASA-e i Talijanske svemirske agencije. Lansirana je u prosincu 2021. i opremljena s tri teleskopa koji fokusiraju rendgenske zrake na posebno osjetljive detektore polarizacije. Kombinacijom prostorne, spektralne i vremenske informacije, IXPE može „mapirati” kako je svjetlost polarizirana u različitim dijelovima izvora – primjerice duž mlaza crne rupe ili unutar ostatka supernove – što do sada nije bilo moguće ni jednim drugim rendgenskim teleskopom.
Perzejev skup nije slučajno odabran za najdulje promatranje IXPE-a do sada. Osim što je rendgenski iznimno sjajan, u njegovom se središtu nalazi upravo 3C 84, jedan od najpoznatijih laboratorija za proučavanje fizike mlazova. Misija je tako u jednoj kampanji mogla istodobno testirati mogućnosti teleskopa na razini cijelog skupa galaksija i usredotočiti se na jednu jedinu, ali iznimno važnu aktivnu galaksiju u njegovom srcu.
Šezdeset dana neprekidnog pogleda u isti kut svemira
Tijekom 60 dana neprekidnog promatranja između siječnja i ožujka IXPE je skupio više od 600 sati podataka o Perzejevu skupu. To je uvjerljivo najdulje fokusirano promatranje jedne mete u dosadašnjem radu misije i ujedno prvi put da je IXPE uopće sustavno proučavao neki skup galaksija.
Takvo maratonsko promatranje omogućilo je izuzetno kvalitetnu statistiku za mjerenje polarizacije X-zraka, ali je otvorilo i novi problem: kako iz „mora” rendgenskog zračenja izdvojiti doprinos same galaksije 3C 84. Tu u priču ulaze ostali svemirski teleskopi. NASA-in Chandra X-ray Observatory, poznat po svojoj izuzetno oštroj rendgenskoj slici, poslužio je za precizno razdvajanje emisije mlaza od difuznog sjaja vrućeg plina u skupu. Misije NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) i Neil Gehrels Swift dodale su podatke u višim energetskim područjima i u širem vremenskom rasponu.
Tek kombinacijom svih tih podataka – IXPE-ovih mjerenja polarizacije i Chandrinih, NuSTAR-ovih i Swiftovih slika i spektara – znanstvenici su mogli s pouzdanjem reći: ovaj dio signala doista dolazi iz mlaza crne rupe u 3C 84, a ne iz nekog drugog izvora u skupu.
Kako nastaju X-zrake u mlazovima crnih rupa
Već se neko vrijeme znalo da X-zrake iz mlazova aktivnih galaksija nastaju procesom zvanim inverzni Comptonov rasap. U tom procesu fotoni niže energije – primjerice radio ili infracrveni fotoni – „sudaraju se” s vrlo brzim elektronima u mlazu i pri tom dobivaju energiju, prelazeći u rendgensko područje. Ključno pitanje bilo je: odakle dolaze ti početni, tzv. „seed photons”, odnosno početni fotoni koji se zatim ubrzavaju do X-zraka.
Postojale su dvije glavne mogućnosti. U scenariju unutarnjeg, sinkrotronskog samorazasipanja (synchrotron self-Compton, SSC), početni fotoni nastaju u samom mlazu. Isti elektroni koji spiralno kruže oko magnetskih silnica i emitiraju sinkrotronsko zračenje niže energije, potom sudarima ponovno podižu energiju tih fotona do rendgenskog područja. U alternativnom scenariju vanjskog Comptonova rasapa (external Compton), početni fotoni dolaze iz „okoline” – iz akrecijskog diska, oblaka plina oko galaksije ili čak iz kozmičkog pozadinskog zračenja.
Oba scenarija mogu objasniti ukupnu količinu X-zraka koju promatramo, ali predviđaju različite uzorke polarizacije. Ako fotoni potječu iz organiziranog sinkrotronskog zračenja u mlazu, očekuje se da će rendgenska svjetlost biti umjereno polarizirana, sa smjerom polarizacije povezanim s geometrijom mlaza i magnetskog polja. Ako, pak, fotoni dolaze iz svih mogućih smjerova izvana, konačni bi signal trebao biti puno slabije polariziran i „razmazan” po smjerovima.
Presudan trag: četiri posto polarizacije
IXPE je upravo u tom detalju donio ključnu informaciju. Mjerenja su pokazala da je rendgenska svjetlost iz 3C 84 polarizirana u prosjeku oko 4 posto. Iako se ta vrijednost na prvi pogled može činiti skromnom, ona je u vrlo dobrom skladu s predviđanjima modela sinkrotronskog samorazasipanja i teško ju je uskladiti s dominantnim vanjskim Comptonovim scenarijem.
Još je važnije da su istodobna promatranja u optičkom i radio-području, koja su proveli teleskopi diljem svijeta, pokazala slične razine polarizacije i srodne orijentacije polarizacijskih vektora. To znači da se fotoni kroz cijeli elektromagnetski spektar – od radijskih valova do X-zraka – stvaraju i oblikuju u istom fizičkom sustavu: u mlazu koji izbacuje supermasivna crna rupa u središtu 3C 84.
Autori rada ističu da se već ranije znalo kako X-zrake kod izvora poput 3C 84 potječu od inverznog Comptonova rasapa, ali nije bilo moguće razlučiti koji je od dvaju scenarija ispravan. IXPE je sada prvi put omogućio da se izravno izmjere svojstva početnih fotona. Činjenica da je polarizacija jasno detektirana u X-zrakama gotovo u potpunosti isključuje mogućnost da emisiju dominira vanjski Comptonov mehanizam i snažno ide u prilog modelu u kojem mlaz „reciklira” vlastito zračenje.
3C 84: jedna galaksija, mnogo uloga
Galaksija 3C 84 već je odavno posebna u očima astronoma. Kao najsjajniji član Perzejeva skupa, ona je ključna za razumijevanje kako supermasivne crne rupe utječu na svoje galaktičko i međugalaktičko okruženje. Snimke svemirskog teleskopa Hubble otkrivaju složene niti plina i prašine te tragove sudara galaksija, dok rendgenska promatranja pokazuju ogromne šupljine koje su mlazovi „izbušili” u vrućem plinu skupa.
Radio-teleskopi, uključujući i globalnu mrežu Event Horizon Telescopea, mapirali su mlazove 3C 84 na raznim prostornim skalama i otkrili da se oni vjerojatno blago precesiraju – polagano „ljuljaju” u prostoru – što stvara složene obrasce u radio-zračenju. Sve to čini 3C 84 jednom od najdetaljnije proučavanih aktivnih galaksija i idealnim laboratorijem za testiranje teorija o pokretanju mlazova, ulozi magnetskih polja i povratnoj sprezi crne rupe i okolnog plina.
Novi rezultati IXPE-a sada toj galaksiji dodaju još jednu važnu ulogu: 3C 84 postaje referentni objekt za razumijevanje kako se sinkrotronsko zračenje i inverzni Comptonov rasap spajaju u jedinstvenu sliku emisije mlaza kroz cijeli spektar, od radijskih do rendgenskih valnih duljina.
Snaga zajedničke kampanje svemirskih i zemaljskih opservatorija
Jedan od najupečatljivijih aspekata ovog istraživanja način je na koji je izvedeno. IXPE nije djelovao sam – tijekom šezdesetodnevne kampanje, desetci optičkih i radio-teleskopa na Zemlji povremeno su usmjeravali svoje antene i ogledala prema 3C 84 kako bi pratili promjene u sjaju i polarizaciji u različitim dijelovima spektra. Istodobno su svemirske misije Chandra, NuSTAR i Swift osiguravale presudne podatke u rendgenskom području.
Takva koordinirana višefrekvencijska kampanja omogućila je da se promatra isti fizički proces na više „valnih duljina” istodobno. Kad je IXPE izmjerio oko 4 posto polarizacije u X-zrakama, znanstvenici su mogli provjeriti događa li se nešto slično u optičkom i radio-području. Činjenica da je odgovor bio potvrdan dala je dodatnu težinu zaključku da se radi o sinkrotronskom samorazasipanju u mlazu, a ne o slučajnoj kombinaciji nepovezanih izvora.
Projekt također ilustrira kako moderni astrofizički eksperimenti funkcioniraju kao globalni pothvati. U istraživanju sudjeluju znanstvenici i institucije iz dvanaest zemalja, a misijom upravljaju NASA-in Marshall Space Flight Center u Huntsvilleu i Talijanska svemirska agencija, uz operativnu podršku tvrtke BAE Systems i Laboratorija za atmosfersku i svemirsku fiziku Sveučilišta Colorado.
Što nam ovo otkriće govori o crnim rupama i svemiru
Iako bi se na prvi pogled moglo činiti da je riječ o specijaliziranom rezultatu koji zanima samo uski krug stručnjaka, posljedice otkrića sežu mnogo dalje. Mlazovi supermasivnih crnih rupa ključni su za formiranje i evoluciju galaksija i skupova galaksija: oni zagrijavaju okolni plin, mogu spriječiti njegovo hlađenje i nastanak novih zvijezda te preusmjeravati goleme količine energije na međugalaktičke razmjere.
Da bismo te procese ugradili u računalne simulacije razvoja svemira, moramo što bolje razumjeti kako mlazovi nastaju, kako se ubrzavaju i gdje točno proizvode zračenje koje vidimo. Nova IXPE-ova mjerenja pružaju važan dio te slagalice, pokazujući da se barem u slučaju 3C 84 ključni dio X-zraka stvara unutar samog mlaza, i to u regijama koje su već ranije identificirane kao zone šokova i pojačanog sinkrotronskog zračenja.
Rezultati će poslužiti kao referenca za buduća promatranja drugih aktivnih galaksija i blazara – objekata kod kojih je mlaz gotovo točno usmjeren prema nama. Usporedbom s 3C 84, astronomi će moći procijeniti koliko su mehanizmi stvaranja X-zraka univerzalni, a koliko ovise o specifičnim uvjetima u pojedinoj galaksiji, poput snage magnetskog polja ili brzine rotacije crne rupe.
Sljedeći koraci za IXPE i istraživanje Perzejeva skupa
Iako je misterij podrijetla X-zraka u mlazu 3C 84 uvelike razriješen, posao misije IXPE daleko je od gotovog. Znanstvenici nastavljaju analizirati podatke prikupljene iz drugih dijelova Perzejeva skupa, tražeći dodatne signale polarizacije. Posebno ih zanimaju širi obrasci u intraklasterskom plinu i potencijalni tragovi još složenijih struktura magnetskih polja na skali čitavog skupa.
Istodobno, IXPE i dalje promatra druge vrste izvora: ostatke supernova, pulsare, binarne sustave s crnim rupama i neutronskim zvijezdama. Svaki od tih objekata nudi drugačiji „laboratorij” za testiranje fizike u ekstremnim uvjetima, od ultrajakih magnetskih polja do gravitacijskih potencijala kakvi se ne mogu reproducirati u laboratorijima na Zemlji.
Misija je izvorno planirana kao četverogodišnji projekt, no dosadašnji rezultati – uključujući i ovo otkriće u Perzejevu skupu – pokazuju da potencijal IXPE-a daleko nadilazi početna očekivanja. Dokle god teleskop i njegovi instrumenti ostanu zdravi, znanstvena zajednica planira maksimalno iskoristiti jedinstvenu mogućnost da se izravno mjeri polarizacija rendgenske svjetlosti iz nekih od najekstremnijih objekata u svemiru.
Perzejev skup tako ostaje jedan od ključnih svemirskih „poligona” na kojem se ispituje kako supermasivne crne rupe utječu na stotine i tisuće galaksija te goleme oblake vrućeg plina oko sebe. Zahvaljujući IXPE-u i partnerima, taj se laboratorij sada promatra u potpuno novom svjetlu – doslovno i metaforički – otkrivajući nam kako mlazovi crnih rupa proizvode rendgensko zračenje i kakvu ulogu imaju u oblikovanju svemira na najvećim razmjerama.
Detaljnije informacije o znanstvenim ciljevima, instrumentima i aktualnim opažanjima dostupne su na službenoj stranici misije IXPE.
Kreirano: subota, 20. prosinca, 2025.
Pronađite smještaj u blizini