Ora sappiamo perché i getti dei buchi neri emettono radiazioni ad alta energia

I nuclei galattici attivi, alimentati dai buchi neri supermassicci che contengono, sono gli oggetti più luminosi dell’universo. La luce proviene da getti di materiale che vengono espulsi quasi alla velocità della luce dall’ambiente intorno al buco nero. Nella maggior parte dei casi, questi nuclei galattici attivi sono chiamati quasar. Ma nelle rare occasioni in cui uno dei getti è puntato direttamente sulla Terra, viene chiamato blazar e appare molto più luminoso.

Mentre lo schema generale di come funziona il blazar è stato elaborato, molti dettagli sono ancora poco conosciuti, incluso il modo in cui la materia in rapido movimento genera così tanta luce. Ora, i ricercatori hanno convertito un nuovo osservatorio spaziale chiamato Esploratore di imaging a raggi X polarizzante (IXPE) verso una delle fiamme più luminose del cielo. Presi insieme, i dati da esso e altre osservazioni indicano che la luce viene prodotta quando i getti del buco nero entrano in collisione con la materia che si muove lentamente.

Aerei e luce

IXPE è specializzato nel rilevare la polarizzazione dei fotoni ad alta energia, la direzione delle vibrazioni nel campo elettrico della luce. Le informazioni sulla polarizzazione possono dirci qualcosa sui processi che hanno creato i fotoni. Ad esempio, i fotoni originati in un ambiente disordinato avranno polarizzazioni essenzialmente casuali, mentre un ambiente più ordinato tende a produrre fotoni con una gamma limitata di polarizzazioni. Anche la luce che passa attraverso materiali o campi magnetici può cambiare la sua polarizzazione.

Questo si è dimostrato utile nello studio dei blazar. I fotoni ad alta energia emessi da questi oggetti sono generati dalle particelle cariche nei getti. Quando questi oggetti cambiano traiettoria o rallentano, devono cedere energia sotto forma di fotoni. Poiché si muovono quasi alla velocità della luce, hanno una grande quantità di energia da cedere, consentendo ai blazar di emettere attraverso l’intero spettro dalle onde radio ai raggi gamma – alcuni di questi ultimi rimangono a quelle energie nonostante miliardi di anni di spostamento verso il rosso.

Quindi, la domanda diventa quindi cosa causa il rallentamento di queste particelle. Ci sono due idee principali. Uno di questi fattori è che l’ambiente in aereo è turbolento, con accumuli caotici di materiale e campi magnetici. Ciò fa rallentare le particelle e l’ambiente caotico significa che la polarizzazione diventa in gran parte casuale.

Un’idea alternativa prevede un’onda d’urto, in cui il materiale dei getti si scontra con materiale che si muove lentamente, rallentandolo. Questo è un processo relativamente ordinato, che produce una polarizzazione relativamente limitata in banda che diventa più pronunciata a energie più elevate.

Inserisci IXPE

La nuova serie di osservazioni è una campagna coordinata per registrare Blazar Markarian 501 utilizzando una varietà di telescopi che catturano la polarizzazione a lunghezze d’onda maggiori, con IXPE che gestisce i fotoni di energia più elevata. Inoltre, i ricercatori hanno cercato negli archivi di diversi osservatori precedenti osservazioni di Markarian 501, che hanno permesso loro di determinare se la polarizzazione fosse stabile nel tempo.

In generale, attraverso l’intero spettro dalle onde radio ai raggi gamma, le polarizzazioni misurate erano a pochi gradi l’una dall’altra. Era anche stabile nel tempo e il suo allineamento aumentava a energie fotoniche più elevate.

C’è ancora una piccola differenza nella polarizzazione, che indica una perturbazione relativamente piccola nel sito di collisione, il che non è davvero una sorpresa. Ma è molto meno turbolento di quanto ci si aspetterebbe da materia turbolenta con campi magnetici complessi.

Mentre questi risultati forniscono una migliore comprensione di come i buchi neri producono luce, questo processo dipende in ultima analisi dalla produzione di getti, che si verificano vicino al buco nero. Il modo in cui si formano questi getti non è ancora del tutto chiaro, quindi le persone che studiano l’astrofisica dei buchi neri hanno ancora motivo di tornare al lavoro dopo il fine settimana.

natura2022. DOI: 10.1038/s41586-022-05338-0 (A proposito di DOI).