Cientistas resolveram o mistério dos “raios da morte” – jatos de partículas de alta energia emitidos por buracos negros

Desde a detecção acidental de explosões de raios gama (jatos) em 1967 pelo satélite militar americano Vela, os cientistas não pararam de adivinhar a natureza de tais fenômenos. Mais tarde descobriu-se que a fonte de rajadas de alta energia são, em particular, os buracos negros. Mas não havia interpretação inequívoca do evento até recentemente, quando um grupo de astrofísicos relatou fatos que confirmavam um dos vários modelos de aceleração de jatos.

Cientistas descobriram um acelerador natural de partículas de jato de buraco negro. Fonte da imagem: NASA/Pablo Garcia

Estritamente falando, duas teorias da aceleração dos jatos – as explosões mais brilhantes visíveis da Terra em todas as faixas observáveis ​​​​de ondas eletromagnéticas, do raio-X ao visível e infravermelho, bem como na faixa de rádio – receberam a maior distribuição. Se tal flash surgisse em nossa galáxia e fosse direcionado em nossa direção, a vida na Terra seria apagada como uma vela durante um furacão. Felizmente, eles ocorrem extremamente raramente nas galáxias e uma condição indispensável deve ser observada – o jato de energia deve ser direcionado a nós (na verdade, em outros casos, os jatos não são registrados de forma banal).

De acordo com uma teoria, a aceleração dos jatos ocorre no processo de mudanças nos campos magnéticos – algo como uma lente eletromagnética, que dá aceleração adicional às partículas de alta energia. Outra teoria interpreta a aceleração das partículas a velocidades próximas da luz no processo de interação da matéria no jato com a matéria ao redor do buraco negro. É como uma lavadora de alta pressão, onde um bocal estreito dá ao jato uma aceleração extra. Partículas energéticas ejetadas dos pólos de um buraco negro colidem com a matéria ou entre si, o que lhes dá energia adicional e acelera ainda mais.

Observe que o processo de surgimento de jatos (jatos) é uma questão separada. Os jatos extraem sua energia do disco de acreção, que é a matéria que cai no buraco negro do espaço circundante. O novo estudo tratou apenas da questão da aceleração de partículas em um jato até os valores de energia transcendental registrados. O novo telescópio de raios X da NASA IXPE, lançado em órbita em 9 de dezembro de 2021, ajudou a resolver o enigma. É o primeiro instrumento no espaço capaz de medir a polarização dos raios X. Os dados de polarização permitem entender como e em que direção as ondas eletromagnéticas se propagam, o que permite refinar modelos matemáticos de fenômenos cósmicos.

Usando o telescópio IXPE, os astrofísicos estudaram o componente de raios-X do jato blazar Markarian 501 (a galáxia Markarian 501 na constelação de Hércules). Este objeto – um buraco negro no centro da galáxia – está localizado a uma distância de 450 milhões de anos-luz de nós e é orientado pela ejeção de um jato para a Terra. Anteriormente, a polarização do jato Markarian 501 foi medida por astrônomos para as faixas óptica e de rádio.

Telescópio espacial de raios X IXPE. Fonte da imagem: NASA

Quando novos dados sobre a polarização da faixa de raios X foram adicionados, descobriu-se que a polarização é mais pronunciada nessa faixa e diminui à medida que se vai para as faixas óptica e de rádio. Assim, os cientistas descobriram a área em que as partículas do jato são aceleradas – o próprio “bico” que dá aceleração adicional ao jato.

Como a simulação mostrou, a energia para aceleração é a energia da onda de choque do jato. As partículas do jato começam a se mover mais rapidamente do que as partículas da matéria circundante – um fenômeno semelhante que observamos quando uma aeronave supersônica supera a barreira do som – e a onda de choque formada no processo dá às partículas aceleração adicional e maior brilho em todos os registros. gamas.

«É um mistério de 40 anos que resolvemos”, disse Yannis Liodakis, principal autor do estudo e astrônomo do FINCA, o Centro Finlandês de Astronomia do ESO. “Finalmente, temos todas as peças do quebra-cabeça e a imagem que elas criam é clara.”