Светящиеся струи, испускаемые черными дырами, расположенными в центре галактик, озадачивали ученых в течение 40 лет, однако новая орбитальная обсерватория наконец-то помогла разгадать эту тайну.

Блазары - это активные галактические ядра со сверхмассивной черной дырой в центре галактики. Они испускают струи плазмы в виде ионизированной материи по всему спектру электромагнитного излучения.

Используя данные орбитальной обсерватории Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE), исследователи определили, что источником повышенной яркости являются электроны - субатомные частицы, которые получают энергию от ударных волн, движущихся со сверхзвуковой скоростью от чёрной дыры.

Исследователи изучали блазар (массивный диск материала вокруг черной дыры)  в центре гигантской эллиптической галактики Маркарян 501, расположенной на расстоянии около 460 миллионов световых лет от Земли.

Исследователи проанализировали данные, полученные с помощью прибора Imaging X-ray Polarimetry Explorer, с помощью которого наблюдались струи, испускаемые черной дырой, окруженной диском из материала.

Данные показали, что частицы в джетах блазара заряжаются энергией при столкновении с ударной волной и при ускорении испускают рентгеновские лучи. В центре большинства галактик, включая нашу собственную, находится сверхмассивная черная дыра, которая образует диск из газа, пыли и звездных обломков.

Когда материал этого диска падает к черной дыре, его гравитационная энергия преобразуется в свет, в результате чего центры этих галактик становятся очень яркими и тогда их называют активными галактическими ядрами (АГЯ).

Астрофизик Бостонского университета и соавтор исследования Алан Маршер в своем заявлении сказал: "Свет, который мы видим от релятивистских джетов, излучается электронами. Рентгеновское излучение такого типа, которое мы наблюдаем у Markarian 501, может исходить только от электронов чрезвычайно высоких энергий". 

IXPE был запущен 9 декабря 2021 года в сотрудничестве с НАСА и Итальянским космическим агентством. В отличие от существующих орбитальных обсерваторий, телескоп IXPE способен производить измерения поляризации рентгеновского излучения.

Такой диск называют блазаром. Релятивистские джеты, вылетающие из центра черной дыры, характеризуются очень ярким светом. Это объясняется тем, что электроны в потоках получают энергию от ударных волн, движущихся со сверхзвуковой скоростью от черной дыры.

"Первые измерения рентгеновской поляризации этого класса источников впервые позволили провести прямое сравнение с моделями, разработанными на основе наблюдений других частот спектра, от радио до гамма-лучей очень высоких энергий.", - заявила астрофизик Иммаколата Доннарумма. "IXPE продолжит предоставлять новые доказательства по мере анализа текущей информации и получения дополнительных данных в будущем".

Блазары — это подгруппа объектов, похожих на квазары. Их источником являются сверхмассивные черные дыры, питаемые газом и материалом из центра галактик. Блазары испускают в космос противоположно направленные струи частиц.  Причем они ориентированы таким образом, что одна этих струй направлена строго на Землю.

Астроном Яннис Лиодакис из Финского центра астрономии при ESO, ведущий автор исследования, в своем заявлении сказал: "Блазары — это самые яркие объекты в наблюдаемой Вселенной. Они самые энергичные. У них самые большие и страшные черные дыры. Но все, что происходит вокруг них, очень увлекательно". 

Ученые давно пытаются понять, почему джеты, испускаемые блазарами, становятся такими яркими и как ведут себя в них элементарные частицы. Джеты от Markarian 501 протянулись на расстояние миллиона св. лет. 

Исследование не ставило перед собой задачу изучить природу возникновения ударных волн, которая до сих пор остается загадкой. Однако астрофизики выдвинули гипотезу, что возмущение в потоках струй приводит к тому, что какой-то ее участок становится сверхзвуковым. Такие возмущения могут происходить в результате столкновения высокоэнергетических частиц внутри струи или резкого изменения давления на границе потока.

"Когда ударная волна пересекает область, магнитное поле становится сильнее, и энергия частиц возрастает", - рассказывает Маршер. "Эта энергия поступает за энергии материала, создающего ударную волну". 

В будущих экспериментах ученые продолжат наблюдение за Markarian 50, а также изучат другие блазары на предмет обнаружения аналогичных процессов.