Учёные узнали, как блазары разгоняют частицы до околосветовых скоростей

Астрофизики получили первое прямое подтверждение механизма, разгоняющего частицы до скоростей, близких к световым, в окрестностях сверхмассивных черных дыр. Данные рентгеновской обсерватории NASA IXPE, собранные за два сеанса наблюдений за блазаром Маркарян 421, не только визуализировали спиральную структуру магнитного поля в его релятивистской струе, но и преподнесли сюрприз: оказалось, что эта «спираль» способна совершать полный оборот на 180 градусов. Это открытие ставит под сомнение прежние упрощенные модели и закладывает основы для нового понимания физики одних из самых мощных источников энергии во Вселенной.

Разгадка структуры джетов: как устроен ускоритель частиц

Блазар Маркарян 421, расположенный на расстоянии 400 миллионов световых лет от Земли в созвездии Большой Медведицы, представляет собой активное ядро галактики. Его излучение настолько мощно, что джет — узкий поток плазмы, вырывающийся из центра черной дыры, — затмевает свет всех звезд в галактике-хозяйке. До недавнего времени ученые могли лишь строить теории о том, как именно в этих струях энергия переходит в кинетическую энергию частиц. Обсерватория IXPE, способная измерять поляризацию рентгеновского излучения, впервые позволила заглянуть в самое сердце этого процесса.

В ходе двух сеансов наблюдений, разделенных интервалом более полугода, приборы IXPE зафиксировали четкую спиралевидную структуру электромагнитного поля в зоне, где формируется фронт ударной волны. Именно в этой области, как показали данные, частицы и разгоняются до околосветовых скоростей, вращаясь по линиям магнитного поля. Ранее аналогичные признаки были обнаружены при наблюдении другого объекта — блазара Маркарян 501, однако двойное сканирование Маркарян 421 позволило исключить случайность и подтвердить теорию ударных волн как главного «ускорителя».

Неожиданный поворот: магнитное поле живет своей жизнью

Самым интригующим результатом стала нестабильность самой спиральной структуры. Если в течение одного сеанса наблюдений поляризация рентгеновского излучения менялась плавно на 15%, что укладывалось в существующие модели, то разница между двумя сеансами оказалась разительной. Ученые обнаружили, что за полгода вся спиральная конфигурация магнитного поля совершила поворот на 180 градусов. Этот «виток» стал полной неожиданностью для исследователей. Никто не предполагал, что крупномасштабная структура поля в джете способна претерпевать столь значительные изменения за относительно короткий по астрономическим меркам срок.

Это открытие не только усложняет картину, но и дает ключ к пониманию динамики процессов вблизи черных дыр. Постоянная смена поляризации внутри одного сеанса указывает на турбулентность и вращение плазмы, а глобальный разворот на 180 градусов свидетельствует о наличии более масштабных, возможно, прецессионных движений самого джета или изменений в аккреционном диске.

До запуска IXPE в конце 2021 года астрофизики могли лишь косвенно судить о структуре магнитных полей в джетах по радионаблюдениям, которые дают гораздо менее детальную картину. Рентгеновская поляриметрия позволила впервые «увидеть» невидимое. Первые наблюдения блазара Маркарян 501 уже намекнули на спиральную структуру, но только повторный анализ Маркарян 421 с более высокой точностью позволил зафиксировать ее динамику.

Понимание того, как именно магнитные поля организуют и ускоряют плазму в джетах, имеет фундаментальное значение для всей астрофизики высоких энергий. Это не просто уточнение деталей. Механизм ускорения частиц на фронте ударной волны, подтвержденный данными IXPE, является универсальным. Он может быть применим не только к блазарам, но и к остаткам сверхновых, пульсарам и гамма-всплескам. Чем точнее мы понимаем физику джетов, тем лучше мы можем моделировать эволюцию галактик и процессы, происходившие в ранней Вселенной, когда первые черные дыры только начинали формировать свои релятивистские струи.