blazary | Svět2000

Supermasivní černá díra chrlí vysokoenergetický proud směrem k Zemi

27. 7. 2023 Tomáš Pokorný 4 min read 5989 Zobrazení blazary, černá díra, Einsteinova speciální teorie relativity, fyzika, Markarian 421, NASA, proud, sonda NASA IXPE, souhvězdí Ursa Major, supermasivní

Vesmír Zajímavosti

Mise NASA pozorovala supermasivní černou díru, jejíž vysoce energetický proud míří přímo k Zemi. Zatím ale nepanikařte. Jakkoli je tato kosmická událost děsivá, nachází se ve velmi bezpečné vzdálenosti asi 400 milionů světelných let.

Aktivně se živící supermasivní černé díry, včetně této, jsou obklopeny vířícími disky hmoty zvanými akreční disky, které je v průběhu času postupně vyživují. Část materiálu, který nespolknou, pak směřuje k jejich pólům, odkud je následně vyvržena rychlostí blízkou rychlosti světla neboli relativistickou rychlostí. Vzniká tak vysoce energetické a extrémně jasné elektromagnetické záření. V některých případech, jako je tomu u nejnovější múzy NASA, je tento proud namířen přímo na Zemi. Takové události jsou známé jako blazary.

Tento blazar s označením Markarian 421, který se nachází v souhvězdí Ursa Major, byl pozorován pomocí sondy NASA IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer), která byla vypuštěna v prosinci 2021. IXPE pozoruje vlastnost magnetických polí zvanou polarizace, která označuje orientaci polí. Polarizace jetu vyvrženého Markarianem 421 odhalila pro astronomy překvapení a ukázala, že v části jetu, kde dochází k urychlování částic, se nachází také magnetické pole se šroubovicovou strukturou.

Blazarské trysky se mohou táhnout vesmírem miliony světelných let, ale mechanismy, které je spouštějí, nejsou dosud dobře známy. Tyto nové objevy týkající se jetu Markarian 421 by však mohly vnést trochu světla do tohoto extrémního vesmírného jevu.

„Markarian 421 je starým známým astronomů vysokých energií,“ uvedla v prohlášení vedoucí výzkumná pracovnice stojící za objevem a astrofyzička Italské kosmické agentury Laura Di Gesu. „Byli jsme si jisti, že blazar bude pro IXPE hodnotným cílem, ale jeho objevy předčily naše nejlepší očekávání a úspěšně demonstrovaly, jak rentgenová polarimetrie obohacuje naše schopnosti zkoumat složitou geometrii magnetického pole a urychlování částic v různých oblastech relativistických jetů.“

Hlavním důvodem, proč jsou jety živících supermasivních černých děr tak jasné, je to, že částice blížící se rychlosti světla vyzařují obrovské množství energie a chovají se podle fyziky Einsteinovy speciální teorie relativity.

Výtrysky blazarů získávají k takovému jasu také další přídavek, protože jejich orientace směrem k nám způsobuje, že se vlnové délky světla spojené s jejich výtrysky „shlukují“, čímž se zvyšují jejich frekvence i energie. Je to podobné, jako když se zvukové vlny sirény blížící se sanitky „shlukují“ a zvyšují tak svou frekvenci, takže znějí více vysoko.

V důsledku těchto dvou efektů mohou blazary často zastínit kombinované světlo všech hvězd v galaxiích, ve kterých se nacházejí. Nyní IXPE použil toto světlo k vykreslení obrazu fyziky, která se odehrává v srdci jetu Markarian 421, a dokonce k určení místa původu zářícího paprsku.

Dřívější modely blazarů naznačovaly, že jsou doprovázeny šroubovitými magnetickými poli, téměř jako DNA v živých buňkách, jenže spíše jednořetězcovými než dvouřetězcovými. Co se však nepředpokládalo, byla skutečnost, že magnetická šroubovice bude hostit oblasti, kde jsou částice urychlovány.

Družice ve tvaru písmene T ve vesmíru

Umělecké vyobrazení observatoře IXPE ve vesmíru, která pozoruje vesmír v rentgenovém záření.

„Předpokládali jsme, že směr polarizace se může měnit, ale na základě předchozích optických pozorování mnoha blazarů jsme se domnívali, že velké rotace budou vzácné,“ řekl spoluautor výzkumu a fyzik z Massachusettského technologického institutu Herman Marshal. „Proto jsme naplánovali několik pozorování blazaru, přičemž první z nich ukázalo konstantní polarizaci ve výši 15 %.“

Ještě pozoruhodnější je, že analýza dat IXPE ukázala, že polarizace jetu mezi prvním a druhým pozorováním klesla na 0 %. To týmu ukázalo, že magnetické pole se otáčí jako vývrtka.

„Poznali jsme, že polarizace byla ve skutečnosti přibližně stejná, ale její směr doslova udělal obrat a během dvou dnů se otočil o téměř 180 stupňů,“ řekl Marshall. „Během třetího pozorování, které začalo o den později, nás pak znovu překvapilo, že směr polarizace se nadále otáčí stejnou rychlostí.“

Během těchto manévrů měření elektromagnetického záření v podobě optického, infračerveného a rádiového světla neprokázala žádný vliv na stabilitu a strukturu samotného jetu, i když se rentgenové emise měnily. To naznačovalo, že rázová vlna putuje podél stočeného magnetického pole z Markarian 421.

Náznaky takového jevu byly kdysi pozorovány v jetu jiného blazaru, jehož svědkem byl IXPE, Markarian 501, ale nová zjištění týmu představují jasnější důkaz, že spirální magnetické pole skutečně přispívá k putující rázové vlně, která urychluje částice jetu na relativistické rychlosti.

Tým, který stojí za touto prací, hodlá pokračovat ve studiu Markariana 421 a také identifikovat další blazary, aby našel některé s podobnými vlastnostmi ve snaze odhalit mechanismus, který pohání extrémní a jasné výtrysky charakteristické pro tyto jevy.

„Díky IXPE nastává vzrušující doba pro studium astrofyzikálních jetů,“ uzavřel Di Gesu.

Výzkum týmu byl publikován v pondělí (17. července) v časopise Nature Astronomy.

Tomáš Pokorný

100 výtrysků černých děr mířících na Zemi rozpoutalo kontroverzní fyzikální teorii

19. 5. 2023 Adam Walko 5 min read 310 Zobrazení blazary, černá díra, fyzikální experimenty

Nové Vesmír Zajímavosti

Astronomové využívají 100 nově objevených supermasivních černých děr jako laboratoř pro extrémní fyzikální experimenty

Těmto černým dírám se přezdívá „blazary“, protože vystřelují explozivní proudy hmoty a záření přímo na Zemi, píše SPACE.com. Extrémní prostředí černých děr je ideální pro testování fyziky až na hranici jejích možností, uvedl jeden z autorů studie ve svém prohlášení.

„Poskytují nám příležitost ke studiu teorií relativity, k lepšímu pochopení chování částic při vysokých energiích, ke studiu potenciálních zdrojů kosmického záření, které přichází sem na Zemi, a ke studiu vývoje a vzniku supermasivních černých děr a jejich výtrysků,“ uvedl Abe Falcon, vedoucí skupiny astrofyziky vysokých energií na Penn State, v prohlášení z 10. května).

Blazary startují, když část hmoty obklopující supermasivní černou díru nepadá na její povrch, ale směřuje k pólům černé díry rychlostí blížící se rychlosti světla. Protože aktivita trysek přímo souvisí s tím, jak supermasivní černé díry nabírají hmotu, odhalení tohoto jevu by mohlo ukázat, jak tito vesmírní titáni rostou do hmotností odpovídajících milionovým nebo dokonce miliardovým hodnotám Slunce.

„Protože tryska blazaru míří přímo na nás, můžeme je pozorovat z mnohem větší vzdálenosti než jiné systémy černých děr, podobně jako se baterka jeví nejjasnější, když se na ni díváte přímo,“ uvedl ve stejném prohlášení hlavní autor výzkumu a postgraduální student astronomie a astrofyziky na Pensylvánské univerzitě Stephena Kerbyho. „Studium blazarů je vzrušující, protože jejich vlastnosti nám umožňují odpovědět na otázky týkající se supermasivních černých děr v celém vesmíru.“

Tým objevil nové blazary při pozorování neklasifikovaných vysokoenergetických kosmických emisí pomocí dalekohledů. Tyto nově identifikované blazary jsou slabé ve srovnání s typickými příklady těchto silných kosmických objektů, které mohou často zastínit kombinované světlo všech hvězd v galaxii, která je hostí. Slabší blazary umožnily týmu ověřit kontroverzní teorii obklopující emise blazarů, nazývanou „blazarní sekvence“.

Blazary vyzařují světlo v celém elektromagnetickém spektru, od nízkoenergetického světla, jako jsou rádiové vlny, až po extrémně energetické gama záření. Spektrum světla blazarů má však tendenci dosahovat vrcholu ve dvou specifických vlnových délkách: ve vlnových délkách gama záření a v rozsahu vlnových délek s nižší energií. (Přesná vlnová délka těchto vrcholů se u jednotlivých blazarů liší a může se měnit v čase.)

Tento graf ukazuje polohu 150 blazarů (zelené tečky) použitých ve studii z roku 2012. Více než 100 dalších bylo odhaleno v novějším úsilí publikovaném v roce 2023.

Teorie posloupnosti blazarů předpovídá, že u jasných blazarů bude pík s nižší energií více směřovat k červenému (nebo nižšímu energetickému konci) elektromagnetického spektra než stejný pík u slabších blazarů. Pozorování, která by tuto teorii potvrdila, však bylo obtížné získat.

„S našimi v současnosti provozovanými dalekohledy je ve skutečnosti velmi obtížné detekovat a klasifikovat blazary s nižšími energetickými píky – červenými -, které jsou zároveň slabé, zatímco je mnohem snazší tyto blazary najít, když jsou jejich píky na vyšších energiích nebo když jsou jasné,“ řekl Falcone.

Novější výzkum si naopak klade za cíl začít „zkoumat posloupnost blazarů tím, že se ponoří hlouběji do nižších jasností jak nízkoenergetických, tak vysokoenergetických blazarů s píkem,“ dodal.

Černé díry a blazary jsou pro vědce extrémními fyzikálními laboratořemi.

Tým prozkoumal katalog zdrojů gama záření detekovaných Fermiho velkoplošným teleskopem a našel vysokoenergetické emise, které dosud nebyly spojeny s nízkoenergetickým píkem ze stejného zdroje. Pro každý blazar pozorovaný v záření gama našli astronomové protějšek emise v rentgenovém, ultrafialovém nebo viditelném světle detekované observatoří Swift Neila Gehrelse. Získání dat z archivu Swift pomohlo týmu charakterizovat světlo 106 nových slabých blazarů.

„Pozorování teleskopu Swift nám umožnila určit polohu těchto blazarů s mnohem větší přesností než pouze pomocí dat z Fermiho teleskopu,“ vysvětlil Kerby. „Spojení všech těchto emisních dat spolu se dvěma novými technickými přístupy nám pomohlo určit, kde v elektromagnetickém spektru se u každého z blazarů vyskytuje nízkoenergetický pík.“

Při hledání pomohlo strojové učení (forma umělé inteligence) a fyzikální modelování, které potvrdily, že vzorek slabých blazarů obecně dosahuje vrcholu v modrém světle s vyšší energií.

V budoucnu se tým pokusí využít tento soubor dat k předpovědím blazarů, které jsou zatím příliš slabé na to, aby je astronomové mohli přímo detekovat.

„Stále existuje tisíc Fermiho neasociovaných zdrojů, pro které jsme nenašli žádný rentgenový protějšek, a je poměrně bezpečný předpoklad, že mnoho z těchto zdrojů jsou také blazary, které jsou prostě příliš slabé v rentgenovém záření, než abychom je mohli detekovat,“ řekl Kerby.

Tato budoucí studie by mohla týmu umožnit také další testování posloupnosti blazarů. Nová práce by také mohla ukázat sílu magnetického pole blazaru a rychlost pohybu nabitých částic v něm, řekl Kerby.

„Je důležité vždy pracovat na rozšiřování našich datových souborů, abychom se dostali ke stále slabším a slabším zdrojům, protože díky tomu jsou naše teorie úplnější a méně náchylné k selhání v důsledku neočekávaných zkreslení,“ řekl postgraduální student. „Těším se na nové teleskopy, které budou v budoucnu zkoumat ještě slabší blazary.“

Výzkum týmu byl přijat k publikaci v časopise Astrophysical Journal a byl publikován na předtiskovém serveru arXiv, dne 3. května.

Adam Walko