Астрономы поняли, как происходит ускорение джетов в окрестностях сверхмассивных черных дыр

Новый космический телескоп IXPE впервые наблюдал поляризацию рентгеновского излучения далекого блазара — узкого потока частиц, выброшенных сверхмассивной черной дырой и ускоренных до скоростей, близких к световой. Работа показала, что колоссальное ускорение этой релятивистской струе придают ударные волны, возникающие при столкновении с окружающим веществом. Об этом рассказывается в статье, опубликованной в журнале Nature.

В центрах крупных галактик находятся сверхмассивные черные дыры, и многие из них активно поглощают окружающую материю. Падая в дыру, это вещество раскаляется и ускоряется, образуя сравнительно плоский, закрученный спиралью диск. Под действием мощных магнитных полей часть вещества выбрасывается из полюсов этого диска в виде узких потоков частиц, разогнанных до околосветовых скоростей, — релятивистских джетов.

Иногда такие джеты случайно оказываются направлены в сторону Земли. Находясь от нас на огромном расстоянии, никакой опасности они не несут, зато делают активные центры далеких галактик прекрасно видимыми на дистанциях в миллионы и даже миллиарды световых лет. Такие объекты называются блазарами, и они ярко излучают в широком диапазоне волн, от радио- до рентгена и даже гамма-спектра.

Как именно происходит ускорение джетов, в точности не понятно. Шире других встречаются две гипотезы. Согласно первой из них, свою колоссальную энергию они получают из-за перезамыкания силовых линий магнитного поля, как это происходит с выбросами плазмы на Солнце. По другой версии, бешеное ускорение создают ударные волны, возникающие из-за столкновения джета с более медленным веществом, окружающим его источник. Такой механизм можно сравнить с движением воды, которая вырывается из узкого сопла под большим давлением.

Чтобы выяснить, какая гипотеза верна, международная группа ученых во главе с Иоаннисом Лиодакисом (Ioannis Liodakis) из Университета Турку исследовала далекий блазар Маркарян 501 (Mrk 501), расположенный в 450 миллионах световых лет. Для наблюдений астрономы использовали космический телескоп IXPE, выведенный на орбиту меньше года назад. Особенность аппарата именно в том, что он способен регистрировать рентгеновское излучение и его поляризацию.

Если ускорение джета происходит из-за магнитного пересоединения, то его излучение должно быть поляризовано одинаковым образом на всех длинах волн. Если же права вторая гипотеза, то поляризация излучения джета должна зависеть от длины волны. Проходя через фронт ударной волны, частицы получают огромный импульс и излучают в рентгеновском диапазоне. Удаляясь от него, они постепенно теряют энергию и начинают излучать на все более и более длинных волнах. В таком случае поляризация должна быть выражена в рентгене сильнее, чем в менее «энергичных» частях спектра.

Наблюдая Mrk 501, спутник IXPE смог впервые измерить поляризацию рентгеновского излучения блазара. Она действительно оказалась выше, чем у излучения с большей длиной волны. Таким образом, верной можно считать гипотезу о том, что именно ударные волны придают джетам их невероятную скорость и яркость.