Вчені знайшли блазар з гвинтовою структурою магнітного поля

Всесвіт сповнений потужних надмасивних чорних дір, які створюють потужні струмені частинок високої енергії, створюючи джерела надзвичайної яскравості у величезному космосі. Коли один із цих струменів спрямовується прямо на Землю, вчені називають систему чорних дір блазаром.

Щоб зрозуміти, чому частинки в струмені рухаються з великою швидкістю та енергією, вчені звертаються до дослідника NASA IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer), який був запущений у грудні 2021 року. IXPE вимірює особливу властивість рентгенівського світла, яка називається поляризацією.

Цього тижня міжнародна група астрофізиків опублікувала нові висновки IXPE про блазар під назвою Markarian 421. Цей блазар, розташований у сузір’ї Великої Ведмедиці, приблизно за 400 мільйонів світлових років від Землі, здивував вчених доказами того, що в частині джета там, де частинки прискорюються, магнітне поле має гвинтову структуру.

Надзвичайна енергія

Джети, подібні до того, що випромінює Маркаріан 421, можуть мати мільйони світлових років у довжину. Вони особливо яскраві, тому що коли частинки наближаються до швидкості світла, вони виділяють величезну кількість енергії та поводяться дивним чином, який передбачив Ейнштейн. Струмені блазара надзвичайно яскраві, оскільки так само, як сирена швидкої допомоги звучить голосніше, коли вона наближається, світло, спрямоване на нас, також здається яскравішим. Ось чому блазари можуть затьмарити всі зірки галактик, які вони населяють.

Незважаючи на десятиліття досліджень, вчені досі не повністю розуміють фізичні процеси, які формують динаміку та випромінювання струменів блазарів. Але революційна рентгенівська поляриметрія IXPE, яка вимірює середній напрямок електричного поля світлових хвиль, дає їм безпрецедентне уявлення про ці цілі, їхню фізичну геометрію та джерело їх випромінювання.

Дослідницькі моделі для типового потоку потужних струменів зазвичай зображують спіралеподібну структуру, подібну до того, як організована людська ДНК. Але вчені не очікували, що спіральна структура міститиме області частинок, які прискорюються ударами.

IXPE виявив дивовижну мінливість кута поляризації під час трьох тривалих спостережень Markarian 421 у травні та червні 2022 року.

«Ми передбачали, що напрямок поляризації може змінитися, але ми думали, що великі обертання будуть рідкістю, виходячи з попередніх оптичних спостережень багатьох блазарів, — сказав Герман Маршалл, фізик-дослідник з Массачусетського технологічного інституту в Кембриджі та співавтор дослідження. – Тож ми запланували кілька спостережень блазара, перше з яких показало постійну поляризацію 15%».

Примітно, за його словами, що початковий аналіз даних поляризації від IXPE показав, що вона впала до нуля між першим і другим спостереженнями.

«Тоді ми зрозуміли, що поляризація була приблизно такою ж, але її напрямок буквально розвернувся, обертаючись майже на 180 градусів за два дні, — додав Маршалл. – Тоді під час третього спостереження, яке почалося через день, ми знову здивувалися, спостерігаючи, як напрямок поляризації продовжує обертатися з тією ж швидкістю».

Ще дивніше було те, що одночасні оптичні, інфрачервоні та радіовимірювання не показали жодних змін у стабільності чи структурі – навіть коли поляризоване рентгенівське випромінювання відхилялося. Це означає, що ударна хвиля могла поширюватися вздовж спіральних магнітних полів усередині струменя.

Концепція ударної хвилі, що прискорює частинки струменя, узгоджується з теоріями про Markarian 501, другий блазар, який спостерігав IXPE, що призвело до опублікованого дослідження наприкінці 2022 року. Але його двоюрідний брат Markarian 421 показує більш чіткі докази спірального магнітного поля, яке сприяє поштовху.

Вчені прагнуть провести подальші спостереження за Markarian 421 та іншими блазарами, щоб дізнатися більше про ці флуктуації струменів і про те, як часто вони відбуваються.