W sposób nieco podobny do zawarcia sojuszu w celu pokonania Gwiazdy Śmierci Dartha Vadera, ponad dekadę temu astronomowie utworzyli konsorcjum Cała Ziemia Blazar Teleskop, aby zrozumieć Natury Promień Śmierci Natury (inaczej I wbrew brzmiącej przy drzwiach śmierci nazwy, GASP okazał się kluczowy w odkryciu tajemnic tego, jak działa „LHC” Natury.
„Jako największe akceleratory wszechświata, blazarowe dysze są ważne do zrozumienia”, powiedział Masaaki Hayashida, pracownik naukowy Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC), odpowiadający autorowi w ostatnim artykule prezentującym nowe wyniki z astrofizykiem KIPAC Gregiem Madejskim. „Ale sposób ich produkcji i struktura nie jest dobrze poznana. Nadal szukamy podstaw. ”
Blazary dominują na niebie promieni gamma, dyskretne plamy na ciemnym tle wszechświata. Gdy pobliska materia wpada do supermasywnej czarnej dziury pośrodku blazara, „zasilając” czarną dziurę, rozpyla część tej energii z powrotem do wszechświata jako strumień cząstek.
Badacze wcześniej przypuszczali, że takie strumienie są trzymane razem przez silne wąsy pola magnetycznego, podczas gdy światło odrzutowca jest wytwarzane przez cząstki spiralne wokół tych cienkich „cienkich” pól magnetycznych.
Jednak do tej pory szczegóły były stosunkowo słabo poznane. Ostatnie badania podważają powszechne zrozumienie struktury odrzutowca, ujawniając nowy wgląd w te tajemnicze, ale potężne bestie.
„Ta praca jest znaczącym krokiem w kierunku zrozumienia fizyki tych dżetów” - powiedział Roger Blandford, dyrektor KIPAC. „To właśnie ten rodzaj obserwacji umożliwi nam ustalenie ich anatomii”.
Przez cały rok obserwacji badacze skupili się na jednym konkretnym strumieniu blazara, 3C279, znajdującym się w gwiazdozbiorze Panny, monitorując go w wielu różnych zakresach fal: gamma, rentgenowskim, optycznym, podczerwonym i radiowym. Blazary ciągle migają, a naukowcy oczekiwali ciągłych zmian we wszystkich zakresach fal. Jednak w połowie roku badacze zaobserwowali spektakularną zmianę w optyce i emisji promieniowania odrzutowego: 20-dniowemu rozbłysku promieni gamma towarzyszyła dramatyczna zmiana światła optycznego odrzutowca.
Chociaż większość światła optycznego jest niespolaryzowana - składająca się ze światła o jednakowej mieszance wszystkich polaryzacji - ekstremalne zginanie cząstek energetycznych wokół linii pola magnetycznego może spolaryzować światło. Podczas 20-dniowego rozbłysku gamma światło optyczne z odrzutu zmieniło polaryzację. To tymczasowe połączenie między zmianami światła gamma i zmianami polaryzacji optycznej sugeruje, że światło w obu zakresach fal powstaje w tej samej części strumienia; w ciągu tych 20 dni coś w lokalnym środowisku zmieniło się, powodując zmiany zarówno światła optycznego, jak i gamma.
„Mamy dość dobry pomysł na to, gdzie w strumieniu powstaje światło optyczne; teraz, gdy wiemy, że promienie gamma i światło optyczne są tworzone w tym samym miejscu, możemy po raz pierwszy ustalić, skąd pochodzą promienie gamma ”, powiedział Hayashida.
Ta wiedza ma daleko idące implikacje dotyczące tego, jak supermasywna czarna dziura wytwarza dżety polarne. Ogromna większość energii uwalnianej w strumieniu ucieka w postaci promieni gamma, a badacze wcześniej sądzili, że cała ta energia musi zostać uwolniona w pobliżu czarnej dziury, w pobliżu miejsca, w którym materia wpływająca do czarnej dziury oddaje swoją energię w pierwsze miejsce. Jednak nowe wyniki sugerują, że - podobnie jak światło optyczne - promienie gamma są emitowane stosunkowo daleko od czarnej dziury. Hayashida i Madejski stwierdzili, że to z kolei sugeruje, że linie pola magnetycznego muszą w jakiś sposób pomóc energii przemieszczać się daleko od czarnej dziury, zanim zostanie uwolniona w postaci promieni gamma.
„To, co znaleźliśmy, bardzo różniło się od tego, czego się spodziewaliśmy” - powiedział Madejski. „Dane sugerują, że promienie gamma są wytwarzane nie przez jeden lub dwa dni świetlne z czarnej dziury [zgodnie z oczekiwaniami], ale bliżej jednego roku świetlnego. To zaskakujące ”.
Oprócz ujawnienia, gdzie powstaje światło odrzutowe, stopniowa zmiana polaryzacji światła optycznego ujawnia również coś nieoczekiwanego w ogólnym kształcie strumienia: strumień wydaje się zakrzywiać, gdy odsuwa się od czarnej dziury.
„W pewnym momencie podczas rozbłysku gamma polaryzacja obracała się o około 180 stopni wraz ze zmianą intensywności światła” - powiedział Hayashida. „To sugeruje, że cały strumień wygina się”.
To nowe zrozumienie działania wewnętrznego i budowy odrzutowca wymaga nowego modelu roboczego struktury odrzutowca, w którym strumień dramatycznie się zakrzywia, a najbardziej energetyczne światło pochodzi z dala od czarnej dziury. To, jak powiedział Madejski, właśnie tam wchodzą teoretycy. „Nasze badanie stanowi dla teoretyków bardzo ważne wyzwanie: jak zbudowałbyś strumień, który potencjalnie mógłby przenosić energię tak daleko od czarnej dziury? Jak więc to wykryć? Uwzględnienie linii pola magnetycznego nie jest proste. Powiązane obliczenia są trudne do przeprowadzenia analitycznego i muszą zostać rozwiązane za pomocą niezwykle złożonych schematów numerycznych. ”
Teoretyk Jonathan McKinney, stypendysta Einsteina z Uniwersytetu Stanforda i ekspert w dziedzinie tworzenia namagnesowanych dżetów, zgadza się, że wyniki stawiają tyle samo pytań, ile odpowiedzi. „Od dawna istniały kontrowersje dotyczące tych dżetów - o to, skąd dokładnie pochodzi emisja promieniowania gamma. Ta praca ogranicza rodzaje modeli odrzutowców, które są możliwe ”- powiedział McKinney, który nie jest związany z najnowszymi badaniami. „Z punktu widzenia teoretyka jestem podekscytowany, ponieważ oznacza to, że musimy przemyśleć nasze modele”.
Gdy teoretycy zastanawiają się, w jaki sposób nowe obserwacje pasują do modeli działania dżetów, Hayashida, Madejski i inni członkowie zespołu badawczego będą nadal gromadzić więcej danych. „Istnieje wyraźna potrzeba prowadzenia takich obserwacji we wszystkich rodzajach światła, aby lepiej to zrozumieć” - powiedział Madejski. „Przeprowadzenie tego rodzaju badań wymaga ogromnej koordynacji, która objęła ponad 250 naukowców i dane z około 20 teleskopów. Ale to jest tego warte."
Dzięki tym i przyszłym badaniom o wielu długościach fal teoretycy uzyskają nowe informacje, dzięki którym będą mogli tworzyć modele działania największych akceleratorów we wszechświecie. Darth Vader odmówiono dostępu do tych wyników badań.
Źródła: DOE / SLAC National Accelerator Laboratory Press Release, artykuł w numerze Nature z 18 lutego 2010 r.
