Рентгеновские поляризованные линзы IXPE изучают сверхмассивные черные дыры

Наблюдения спутника IXPE за двумя удаленными галактиками и их сверхмассивными черными дырами позволяют исследователям получить ценную информацию для понимания этих особых космических объектов.

Итальянский спутник рентгеновских наблюдений IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer), запущенный в декабре 2021 года, наблюдал в мае этого года два источника, уже известные в прошлом благодаря своей особой геометрии и сильному рентгеновскому излучению. Это галактики Маркарян 421 (Mrk 421) и MGC-05-23-16: первая - более тихая, без релятивистских джетов, а вторая - более яркая и прожорливая, настоящий квазар.

Данные IXPE в сочетании с данными его предшественников XMM-Newton и NuSTAR позволили исследователям более детально изучить регион, занятый этими двумя космическими объектами. В частности, обе галактики содержат в своих центрах сверхмассивные черные дыры с массами в 2 миллиона и 20 миллионов раз больше массы Солнца, соответственно. Поэтому они представляют собой две важные астрофизические лаборатории для изучения в поляризованном свете процессов Х-излучения, происходящих на совершенно разных пространственных масштабах.

IXPE наблюдал за источниками в течение нескольких дней, измеряя количество поляризованного излучения в рентгеновских лучах и его распределение по небу. Эти две части информации позволили исследователям сделать ряд важных выводов о поведении и эволюции двух галактик, их сверхмассивных черных дыр и этих чудовищных небесных объектов в целом.

Струи частиц в Mrk 421

Mrk 421, расположенный на расстоянии около 430 миллионов световых лет от нас, является одним из самых близких и ярких квазаров в рентгеновских лучах. В этой галактике струя релятивистских частиц, возникающая вблизи сверхмассивной черной дыры, ориентирована на Землю. Объект с такой характеристикой называется блазаром.

Эти условия идеально подходят для изучения физических свойств вещества в струе. Поляризованный свет, в частности, несет ценную информацию об интенсивности и геометрии магнитного поля, которому подвергаются частицы. Прежде всего, это позволяет исследовать, какие механизмы могут создавать такие впечатляющие скорости, как скорости частиц в струях сверхмассивных черных дыр.

Рентгеновское излучение испускается именно наиболее энергичными ускоренными частицами. А благодаря данным IXPE ученые поняли, что именно ударная волна, которую частицы испытывают в областях интенсивного магнитного поля, ускоряет частицы в струе. Это космическое явление, которое еще не до конца изучено и простирается на тысячи световых лет.

Уже с IXPE был сделан большой шаг вперед. Лаура ди Джезу, ведущий автор работы ASI о Mrk 421, сказала: "В будущем мы также изучим, как поляризованный Х-свет изменяет интенсивность и характеристики в течение нескольких часов или от одного дня к другому. Это позволит нам понять, является ли струя упорядоченным потоком частиц или, например, турбулентным".

Плазменная корона MCG-05-23-16

Тихий близнец Mrk 421 — MCG-05-23-16, удален от нас на 120 миллионов световых лет. В этой галактике, лишенной релятивистских струй, можно изучать самые внутренние области ядра на расстоянии до нескольких сотен миллионов километров от центральной черной дыры.

Здесь рентгеновское излучение обусловлено взаимодействием фотонов из аккреционного диска, вращающегося вокруг черной дыры, с распределенным над ним облаком электронов, называемым короной. Ее геометрия, совершенно неизвестная до появления Х-поляриметрии, была тщательно проанализирована исследователями по данным IXPE. Это позволило исключить несколько гипотез о ее природе. Андреа Маринуччи, исследователь ASI и ведущий автор статьи о MCG-05-23-16, сказала:

Благодаря новым наблюдениям мы смогли лучше понять геометрию этого материала, который отвечает за сильное рентгеновское излучение источника. Замкнутое в области пространства, сравнимой с расстоянием между Солнцем и Сатурном, это облако горячих электронов, вероятно, имеет форму с высокой сферической симметрией вокруг центральной черной дыры.

Важность рентгеновской поляриметрии

Исследование этих двух галактик и полученные результаты подтверждают, что рентгеновская поляриметрия является фундаментальным инструментом для понимания как физических процессов, так и геометрии различных классов астрофизических источников.

Например, джеты являются отличительной особенностью сверхмассивных черных дыр. Однако иногда они отсутствуют, и исследователи до сих пор не знают точно, почему. Изучение их работы с помощью таких инструментов, как IXPE, позволит понять, как они могут эволюционировать со временем и были ли такие галактики, как Mrk 421, в прошлом или станут тише в будущем, как MCG-05-23-16.