NASA rozwiązała zagadkę czarnych dziur. Jak powstaje promieniowanie X?

Zespół naukowców z NASA wykorzystał obserwatorium kosmiczne IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) wraz z naziemnymi radioteleskopami oraz teleskopami optycznymi. Badali oni blazar BL Lacertae, galaktykę z supermasywną czarną dziurą, i opisali swoje odkrycie w "Astrophysical Journal Letters". Chodziło przede wszystkim o rozwikłanie zagadki, nad którą naukowcy głowili się od dziesięcioleci - skąd pochodzi promieniowanie rentgenowskie?

Dotychczas naukowcy debatowali nad dwoma możliwymi wyjaśnieniami, które wskazywały na protony albo elektrony. W każdym przypadku obserwowano by inną sygnaturę polaryzacji światła rentgenowskiego - właściwości światła, która opisuje średni kierunek fal elektromagnetycznych, które je tworzą.

Jeśli promienie X pochodzące z dżetów czarnych dziur byłyby mocno spolaryzowane, wskazywałoby to na ich generowanie przez protony. Mniejszy stopień polaryzacji sugerowałby interakcje elektronów z fotonami. Jak dotąd jedynym satelitą, który mógł zmierzyć tę polaryzację, jest IXPE. I zrobił to!

Badanie wykazało, że to elektrony odpowiadają za promieniowanie rentgenowskie i generują je w procesie znanym jako zjawisko Comptona (rozpraszanie komptonowskie). Ten efekt zachodzi, gdy foton traci lub zyskuje energię po interakcji z inną naładowaną cząstką, taką jak elektron. W strumieniach supermasywnych czarnych dziur elektrony poruszają się blisko prędkości światła. W przypadku dżetów blazarów elektrony mają wystarczająco dużo energii, by rozpraszać fotony światła podczerwonego do długości fal rentgenowskich.

BL Lacertae to jeden z pierwszych odkrytych blazarów. Początkowo zakładano, że to gwiazda zmienna w Gwiazdozbiorze Jaszczurki. IXPE obserwował BL Lac pod koniec listopada 2023, równolegle z innymi teleskopami naziemnymi. Obserwacje trwały 7 dni i obejmowały polaryzacje promieniowania X oraz optyczną. Polaryzacja optyczna BL Lac okazała się dość wysoka i sięgała 47,5%. To najbardziej spolaryzowany blazar zaobserwowany do tej pory.

Z kolei polaryzacja promieni rentgenowskich była nie większa niż 7,6%. To stało się dowodem, że ich źródłem muszą być elektrony wchodzące w interakcje z fotonami poprzez efekt Comptona. "Fakt, że polaryzacja optyczna była tak dużo większa niż w promieniach X, można wyjaśnić jedynie rozpraszaniem komptonowskim" - stwierdził Steven Ehlert, naukowiec z projektu IXPE (SMEX-14).

Tym sposobem IXPE rozwiązał kolejną zagadkę na temat czarnych dziur. Jak mówi jeden z pomysłodawców eksperymentu, astrofizyk Enrico Costa, IXPE już wcześniej znalazł odpowiedzi na pytania, które od wielu lat zadawali astronomowie. Niektóre z nich podważyły dotychczasowe rozumowanie i ujawniły istnienie kolejnych zagadek. "Ale tak właśnie działa nauka i z pewnością IXPE robi bardzo dobrą naukę" - kwituje astrofizyk.

Źródło: I. Agudo, I. Liodakis, J. Otero-Santos, et al. (2025). High optical to X-ray polarization ratio reveals Compton scattering in BL Lacertae's jet. e-Print: 2505.01832 [astro-ph.HE]. DOI: 10.3847/2041-8213/adc572.