Исследование блазара BL Lacertae с IXPE: новые открытия

Блазар BL Lacertae (BL Lac), представляющий собой сверхмассивную черную дыру с аккреционным диском и релятивистскими джетами, направленными в сторону Земли, стал ключевым объектом для решения давней астрофизической загадки: механизма генерации рентгеновского излучения в экстремальных условиях таких систем. Благодаря совместным наблюдениям космической обсерватории IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) и наземных радио- и оптических телескопов ученые смогли определить, что рентгеновские лучи возникают в результате взаимодействия релятивистских электронов с фотонами — процесса, известного как комптоновское рассеяние.

Конкурирующие гипотезы и метод их проверки

До этого исследования существовали две основные гипотезы происхождения рентгеновского излучения в джетах блазаров:

1. Модель протонного происхождения: рентгеновские лучи генерируются протонами, вращающимися в магнитном поле джета или взаимодействующими с фотонами.
2. Модель электронного происхождения: рентгеновское излучение возникает при рассеянии фотонов на ультрарелятивистских электронах (эффект Комптона).

Критическим различием между этими сценариями была ожидаемая степень поляризации рентгеновского излучения. Если бы рентгеновские лучи были сильно поляризованы, это указывало бы на доминирование протонных механизмов. Если же поляризация оказывалась слабой, это подтверждало бы электронно-фотонное взаимодействие.

Роль IXPE в разрешении загадки

IXPE, запущенный в декабре 2021 года, является первым и пока единственным инструментом, способным измерять поляризацию рентгеновского излучения. В ноябре 2023 года обсерватория провела семидневные наблюдения BL Lacertae, совпавшие с рекордным всплеском оптической поляризации блазара (47,5% — самый высокий показатель за 30 лет наблюдений). Однако рентгеновская поляризация оказалась значительно ниже — не более 7,6%, что исключило протонную модель и подтвердило доминирование комптоновского рассеяния.

Научные выводы и значение

Результаты исследования, опубликованные в Astrophysical Journal Letters, демонстрируют, что:

• Рентгеновское излучение в джетах BL Lacertae генерируется электронами, разогнанными до околосветовых скоростей, которые рассеивают низкоэнергетические фотоны (например, инфракрасные) до рентгеновских энергий.
• Разница в поляризации между оптическим и рентгеновским диапазонами однозначно указывает на разные механизмы излучения: синхротронное излучение (оптика) и комптоновское рассеяние (рентген).

Перспективы дальнейших исследований

Ученые планируют расширить выборку наблюдаемых блазаров, чтобы проверить универсальность открытого механизма. Поскольку блазары крайне переменны и демонстрируют сложную динамику, IXPE продолжит играть ключевую роль в изучении их физики. Как отметил Энрико Коста, один из идеологов миссии, подобные открытия не только решают старые загадки, но и ставят новые вопросы, двигая науку вперед.

Исследование BL Lacertae с помощью IXPE стало важным шагом в понимании процессов, происходящих в окрестностях сверхмассивных черных дыр. Оно не только подтвердило теоретические предсказания о роли комптоновского рассеяния, но и продемонстрировало мощь поляриметрических методов в астрофизике высоких энергий. Дальнейшие наблюдения помогут уточнить модели ускорения частиц в джетах и их влияние на межгалактическую среду.