Рентгеновские наблюдения джетов черной дыры телескопом IXPE

Долгое время загадка происхождения мощного рентгеновского излучения, выходящего из окрестностей сверхмассивных черных дыр, оставалась одним из самых интригующих вопросов астрофизики. С момента зарождения рентгеновской астрономии ученые строили гипотезы, но не имели инструментов, чтобы заглянуть почти в сердце черных дыр. Теперь, благодаря уникальному телескопу IXPE, способному улавливать не только интенсивность, но и поляризацию рентгеновских лучей, завеса тайны приподнимается. Новые наблюдения за ближайшим и ярчайшим скоплением галактик — скоплением Персея — позволили международной команде астрономов впервые однозначно определить природу этого излучения, поставив точку в многолетних дебатах и открыв новую страницу в изучении самых экстремальных объектов Вселенной.

Группа астрономов, использовавшая данные рентгеновского телескопа IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) НАСА, совершила прорыв в понимании природы высокоэнергетического излучения, генерируемого релятивистскими струями (джетами) активных галактик. Объектом их пристального внимания стала массивная активная галактика 3C 84, расположенная в центре скопления Персея — самого яркого в рентгеновском диапазоне скопления галактик на нашем небе.

Это скопление, содержащее гигантские запасы горячего газа, уже было известно широкой публике по «озвученной» в 2022 году черной дыре, а для ученых оно долгое время оставалось ключевой, но сложной для изучения лабораторией из-за смешения сигналов от различных источников.

В течение рекордных 60 дней телескоп IXPE проводил самое продолжительное в своей истории наблюдение, нацелившись именно на скопление Персея. Для выделения нужного сигнала — излучения непосредственно от джета 3C 84 — данные IXPE были критически важным образом дополнены наблюдениями других обсерваторий: высокое пространственное разрешение телескопа «Чандра» позволило отделить излучение джета от фонового рентгеновского газа всего скопления, а миссии NuSTAR и Swift предоставили спектральную информацию.

Ключом к открытию стало измерение поляризации рентгеновского излучения. Поляризация, то есть пространственная ориентация колебаний электромагнитных волн, несет информацию о физических условиях и механизмах излучения в его источнике. Ученые рассматривали два основных сценария генерации рентгеновских лучей в джете посредством процесса обратного комптоновского рассеяния, при котором низкоэнергетические «затравочные фотоны» сталкиваются с релятивистскими электронами и получают огромную энергию, превращаясь в рентгеновские кванты. Вопрос заключался в происхождении этих фотонов.

Первый сценарий, синхротронное самокомптоновское излучение, предполагал, что фотоны рождаются внутри самого джета, в результате синхротронного излучения тех же самых ускоренных электронов. Второй, сценарий внешнего комптоновского рассеяния, утверждал, что фотоны приходят извне — например, от аккреционного диска черной дыры или окружающего скопления газа. Эти модели давали кардинально разные предсказания: в первом случае ожидалась заметная и совпадающая с другими диапазонами поляризация рентгеновских лучей, во втором — поляризация должна была быть близка к нулю.

Результаты наблюдений оказались однозначными. IXPE зафиксировал степень поляризации рентгеновского излучения от 3C 84 на уровне около 4%. Более того, сопоставимые значения поляризации были одновременно замерены наземными оптическими и радиотелескопами. Это прямое совпадение стало решающим аргументом. Оно убедительно подтвердило модель синхротронного самокомптоновского излучения, означающую, что и частицы, и «затравочный» свет рождаются в одном и том же регионе — внутри релятивистской струи. Таким образом, сценарий внешнего комптоновского рассеяния для данного объекта был исключен.

Как подчеркнул научный руководитель проекта IXPE Стивен Эллерт, это измерение было одной из ключевых целей миссии, но поиск других поляризационных сигналов в скоплении Персея, возможно указывающих на более экзотическую физику, продолжается. Работа, опубликованная в The Astrophysical Journal Letters, не только отвечает на вопрос, стоявший с первых дней рентгеновской астрономии, но и демонстрирует мощь новой техники — рентгеновской поляриметрии — в качестве фундаментального диагностического инструмента для изучения самых энергичных процессов во Вселенной.