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

Aktive galaktische Kerne, die von den darin enthaltenen supermassiven Schwarzen Löchern angetrieben werden, sind die hellsten Objekte im Universum. Das Licht stammt von Materialstrahlen, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aus der Umgebung des Schwarzen Lochs ausgestoßen 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 gerichtet ist, wird er als Blazar bezeichnet und erscheint viel heller.

Während der allgemeine Überblick über die Funktionsweise des Blazars ausgearbeitet wurde, sind viele Details noch kaum verstanden, einschließlich der Frage, wie sich schnell bewegende Materie so viel Licht erzeugt. Jetzt haben Forscher ein neues Weltraum-Observatorium namens umgebaut Explorer für polarisierende Röntgenbildgebung (IXPE) zu einer der hellsten Flammen am Himmel. Zusammengenommen deuten die Daten daraus und andere Beobachtungen darauf hin, dass das Licht erzeugt wird, wenn Jets von Schwarzen Löchern mit sich langsam bewegender Materie kollidieren.

Flugzeuge und Licht

IXPE ist darauf spezialisiert, die Polarisation von hochenergetischen Photonen zu erkennen – die Richtung von Schwingungen im elektrischen Feld des Lichts. Die Polarisationsinformationen können uns etwas über die Prozesse sagen, die die Photonen erzeugt haben. Zum Beispiel haben Photonen, die aus einer ungeordneten Umgebung stammen, im Wesentlichen zufällige Polarisationen, während eine geordnetere Umgebung dazu neigt, Photonen mit einem begrenzten Bereich von Polarisationen zu erzeugen. Licht, das Materialien oder Magnetfelder durchdringt, kann auch seine Polarisation ändern.

Dies hat sich bei der Untersuchung von Blazaren als nützlich erwiesen. Die hochenergetischen Photonen, die diese Objekte aussenden, werden von den geladenen Teilchen in den Jets erzeugt. Wenn diese Objekte ihre Flugbahn 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 von Radiowellen bis hin zu Gammastrahlen zu emittieren – einige der letzteren bleiben trotz Milliarden von Jahren Rotverschiebung bei diesen Energien .

Es stellt sich also die Frage, was diese Teilchen dazu bringt, langsamer zu werden. Es gibt zwei Leitgedanken. Ein solcher Faktor ist, dass die Umgebung in Flugzeugen turbulent ist, mit chaotischen Ansammlungen von Material und Magnetfeldern. Dadurch werden die Teilchen langsamer, und eine chaotische Umgebung bedeutet, dass die Polarisation weitgehend zufällig wird.

Eine alternative Idee beinhaltet eine Stoßwelle, bei der Material aus den Jets mit sich langsam bewegendem Material kollidiert und es verlangsamt. Dies ist ein relativ geordneter Prozess, der eine relativ bandbegrenzte Polarisation erzeugt, die bei höheren Energien ausgeprägter wird.

Geben Sie IXPE ein

Die neue Reihe von Beobachtungen ist eine koordinierte Kampagne zur Aufzeichnung von Blazar Markarian 501 mit einer Vielzahl von Teleskopen, die Polarisation bei längeren Wellenlängen erfassen, wobei IXPE die Photonen mit der höchsten Energie verarbeitet. Darüber hinaus durchsuchten die Forscher die Archive mehrerer Observatorien nach früheren Beobachtungen von Markarian 501, wodurch sie feststellen konnten, ob die Polarisation über die Zeit stabil war.

Im Allgemeinen lagen die gemessenen Polarisationen über das gesamte Spektrum von Radiowellen bis hin zu Gammastrahlen nur wenige Grad voneinander entfernt. Es war auch im Laufe der Zeit stabil und seine Ausrichtung nahm bei höheren Photonenenergien zu.

Es gibt immer noch einen kleinen Unterschied in der Polarisation, was auf eine relativ geringe Störung an der Kollisionsstelle hinweist, was nicht wirklich überraschend ist. Aber es ist viel weniger turbulent, als man es von turbulenter Materie mit komplexen Magnetfeldern erwarten würde.

Während diese Ergebnisse ein besseres Verständnis dafür liefern, wie Schwarze Löcher Licht erzeugen, hängt dieser Prozess letztendlich von der Erzeugung von Jets ab, die in der Nähe des Schwarzen Lochs auftreten. Wie sich diese Jets bilden, ist immer noch nicht wirklich verstanden, also haben Leute, die sich mit der Astrophysik von Schwarzen Löchern befassen, immer noch Grund, nach dem Wochenende wieder an die Arbeit zu gehen.

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