Οι προβλέψεις του RoboPol για πίδακες απο μαύρες τρύπες επαληθεύτηκαν από τον IXPE της NASA

Το σύμπαν φλέγεται από ενέργεια, όχι μόνο ανάμεσα σε αστέρια, νεφελώματα και γαλαξιακά φυτώρια, αλλά επίσης με πίδακες υψηλής ταχύτητας ιονισμένης ύλης από μερικές από τις πιο ισχυρές πηγές που είναι γνωστές ποτέ - ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες γνωστούς ως “blazars.”

Παρατηρήσεις πόλωσης στο ραδιοφωνικό, υπέρυθρο, οπτικό και ακτίνες Χ του Mrk 421 και για τις δύο παρατηρήσεις τον Ιούνιο του 2022. Το επάνω πλαίσιο δείχνει τον βαθμό πόλωσης και το κάτω πλαίσιο τη γωνία πόλωσης. Ο βαθμός πόλωσης ακτίνων Χ είναι υπερδιπλάσιος των παρατηρήσεων χαμηλότερης ενέργειας σε συμφωνία με όλες τις άλλες παρατηρήσεις IXPE απο blazars. Η γωνία πόλωσης είναι η ίδια για όλα τα μήκη κύματος, εκτός απο τις ακτίνες Χ που δείχνουν μια περιστροφή περίπου 400 μοιρών. Αυτό παρέχει ισχυρές ενδείξεις ότι οι περιοχές εκπομπής σε αστροφυσικούς πίδακες δεν είναι συν-χωρικές.

Ένα blazar αναγνωρίζεται έτσι επειδή διώχνει την ισχυρή δέσμη ιονισμένης ύλης του σχεδόν απευθείας στον παρατηρητή - σε αυτήν την περίπτωση, επίγεια και διαστημικά τηλεσκόπια. Αυτή η φωτεινή, εξαιρετικά ανιχνεύσιμη «φλόγα» ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας προκύπτει από τις επιπτώσεις του σχετικιστικού χωροχρόνου στο φως του πίδακα καθώς ο πίδακας απομακρύνεται από το κέντρο του γαλαξία με ή κοντά στην ταχύτητα του φωτός, δημιουργώντας συχνά μια δέσμη εκατομμυρίων ετών φωτός σε μήκος. Τέτοιοι πίδακες μπορεί να εκτοξευθούν από μια ποικιλία ισχυρών αντικειμένων, συμπεριλαμβανομένων των άστρων νετρονίων ή των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών οι οποίες τροφοδοτούν blazars και άλλους ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες. Παρά τις δεκαετίες μελέτης, οι επιστήμονες εξακολουθούν να μην κατανοούν πλήρως τις φυσικές διεργασίες που διαμορφώνουν τη δυναμική και την εκπομπή σχετικιστικών πίδακες που εκτοξεύονται από τα blazars.

Το RoboPol, είναι ενα πρωτοποριακό πολωσιμετρο που βρίσκεται στο 1.3m τηλεσκόπιο του αστεροσκοπίου του Σκίνακας και μελετάει την πόλωση απο τους blazar εδώ και μια δεκαετία. Ο κύριος στόχος του RoboPol ήταν να κατανοήσει ένα περίεργο φαινόμενο που είναι μοναδικό στα blazars που ονομάζονται περιστροφές της γωνίας πόλωσης. Αυτο το φαινόμενο συμβαίνει όταν ο προσανατολισμός του πολωμένου φωτός αλλάζει μονότονα για συχνά περισσότερο από 180 μοίρες. Η προέλευση αυτών των περιστροφών δεν είναι ακόμη πλήρως κατανοητή. Ωστόσο, το RoboPol διαπίστωσε ότι δεν εμφανίζουν όλοι οι πίδακες περιστροφές, αλλά μια συγκεκριμένη υποκατηγορία blazars και προέβλεψε σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στο Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (Angelakis et al., 2016) ότι μια άλλη υποκατηγορία blazars θα παρουσιάζει περιστροφές της γωνίας πόλωσης στις ακτίνες Χ.

Επτά χρόνια μετά την πρόβλεψη του RoboPol, μια διεθνής ομάδα αστροφυσικών, χρησιμοποιώντας δεδομένα από τον Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE),της NASA, δημοσίευσε νέα ευρήματα σχετικά με το blazar που ονομάζεται Markarian 421,έναν ενεργό γαλαξιακό πυρήνα και ισχυρή πηγή ακτίνων γάμμα στον αστερισμό της Μεγάλης Άρκτου, περίπου 400 εκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη. Το IXPE εκτοξευθηκε στις 9 Δεκεμβρίου, 2021. Η νέα μελέτη που περιγράφει λεπτομερώς τα ευρήματα της ομάδας IXPE στο Markarian 421 που επιβεβαιώνει την πρόβλεψη RoboPol δημοσιεύτηκε στο Nature Astronomy (Di Gesu et al., 2023). Ωστόσο, η πρωτοποριακή ικανότητα πολωσιμετρίας ακτίνων Χ του IXPE δίνει μια άνευ προηγουμένου εικόνα αυτών των στόχων, της φυσικής τους γεωμετρίας και της προέλευσης της ακτινοβολίας τους. Τα ερευνητικά μοντέλα για την τυπική εκροή των ισχυρών πίδακες απεικονίζουν συνήθως μια δομή σπειροειδούς έλικας, παρόμοια με αυτή της αλυσίδας του ανθρώπινου DNA – αλλά το IXPE βρήκε απροσδόκητη μεταβλητότητα κατά τη διάρκεια τριών παρατεταμένων παρατηρήσεων του Markarian 421 τον Μάιο και τον Ιούνιο του 2022.

Είναι αξιοσημείωτο ότι η αρχική ανάλυση των δεδομένων πόλωσης από το IXPE φάνηκε να δείχνει ότι έπεσε στο μηδέν μεταξύ της πρώτης και της δεύτερης παρατήρησης. Στη συνέχεια διαπιστώθηκε ότι ενώ ο βαθμός πόλωσης παρέμενε σταθερός, η κατεύθυνσή της πολωσης άλλαζε γρήγορα. Κατά τη διάρκεια των έξι ημερών των παρατηρήσεων IXPE, η κατεύθυνση της πόλωσης εκανε μια πλήρη στροφή 360 μοιρών. Ο Sebastian Kiehlmann,ένας μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Ινστιτούτο Αστροφυσικής (IA), έκανε την ανάλυση για να ελέγξει την υπόθεση της τυχαίας περιστροφής και διαπίστωσε ότι η περιστροφή που παρατήρησε ο IXPE είναι απίθανο να συμβεί απο τυχαίες κινήσεις της γωνίας πόλωσης. Αυτό σημαίνει ότι η περιστροφή πιθανότατα προκαλείται από πραγματικές αλλαγές στο μαγνητικό πεδίο του πίδακα. Ερευνητές και φοιτητές του ΙΑ-ΙΤΕ συμμετείχαν επίσης στην ερμηνεία των δεδομένων.

Ακόμα πιο παράξενα ήταν τα ευρήματα απο τις ταυτόχρονες οπτικές μετρήσεις από το RoboPol. Αυτά δεν έδειξαν καμία αλλαγή στη σταθερότητα ή στη δομή - ακόμη και όταν η πόλωση στις ακτίνες Χ άλλαζε σημαντικά. Αυτό αποτελεί ισχυρή απόδειξη ότι η εκπομπή ακτίνων Χ προέρχεται απο μια διαφορετική περιοχή από ότι το οπτικό φως. Η ιδέα ενός ωστικού κύματος που επιταχύνει τα σωματίδια του πίδακα συνάδει με τις επιστημονικές θεωρίες σχετικά με την συμπεριφορά του Markarian 501, τον πρώτο blazar που παρατηρήθηκε από το IXPE και οδήγησε σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στα τέλη του 2022. Οι νέες παρατηρησιακές δυνατότητες πολυκυματικής πόλωσης με όργανα όπως το RoboPol και το IXPE δημιουργούν μια πολύ συναρπαστική εποχή για την μελέτη των αστροφυσικών πιδάκων.

Άρθρο: Di Gesu et al. "Discovery of X-ray polarization angle rotation in the jet from blazar Mrk 421", 2023, Nature Astronomy, (DOI 10.1038/s41550-023-02032-7)