Nous savons maintenant pourquoi les jets de trous noirs émettent un rayonnement à haute énergie

Les noyaux galactiques actifs, alimentés par les trous noirs supermassifs qu’ils contiennent, sont les objets les plus brillants de l’univers. La lumière provient de jets de matière qui sont éjectés à une vitesse proche de la lumière de l’environnement autour du trou noir. Dans la plupart des cas, ces noyaux galactiques actifs sont appelés quasars. Mais en de rares occasions où l’un des jets est pointé directement vers la Terre, il s’appelle un blazar et apparaît beaucoup plus brillant.

Bien que les grandes lignes du fonctionnement du blazar aient été élaborées, de nombreux détails sont encore mal compris, notamment la façon dont la matière en mouvement rapide génère autant de lumière. Maintenant, les chercheurs ont converti un nouvel observatoire spatial appelé Explorateur d’imagerie à rayons X polarisants (IXPE) vers l’une des flammes les plus brillantes du ciel. Pris ensemble, les données de celui-ci et d’autres observations indiquent que la lumière est produite lorsque des jets de trous noirs entrent en collision avec de la matière en mouvement lent.

Avions et lumière

IXPE est spécialisé dans la détection de la polarisation des photons à haute énergie – la direction des vibrations dans le champ électrique de la lumière. Les informations de polarisation peuvent nous dire quelque chose sur les processus qui ont créé les photons. Par exemple, les photons provenant d’un environnement désordonné auront des polarisations essentiellement aléatoires, tandis qu’un environnement plus ordonné tend à produire des photons avec une gamme limitée de polarisations. La lumière traversant des matériaux ou des champs magnétiques peut également modifier sa polarisation.

Cela s’est avéré utile dans l’étude des blazars. Les photons de haute énergie émis par ces objets sont générés par les particules chargées dans les jets. Lorsque ces objets changent de trajectoire ou ralentissent, ils doivent céder de l’énergie sous forme de photons. Parce qu’ils se déplacent à une vitesse proche de la lumière, ils ont beaucoup d’énergie à abandonner, permettant aux blazars d’émettre sur tout le spectre, des ondes radio aux rayons gamma – certains de ces derniers restant à ces énergies malgré des milliards d’années de décalage vers le rouge. .

Ainsi, la question devient alors ce qui fait ralentir ces particules. Il y a deux idées principales. L’un de ces facteurs est que l’environnement dans les avions est turbulent, avec des accumulations chaotiques de matériaux et de champs magnétiques. Cela ralentit les particules et un environnement chaotique signifie que la polarisation devient largement aléatoire.

Une idée alternative implique une onde de choc, où le matériau des jets entre en collision avec un matériau lent, le ralentissant. Il s’agit d’un processus relativement ordonné, produisant une polarisation à bande relativement limitée qui devient plus prononcée à des énergies plus élevées.

Entrez IXPE

Le nouvel ensemble d’observations est une campagne coordonnée pour enregistrer Blazar Markarian 501 à l’aide d’une variété de télescopes qui capturent la polarisation à des longueurs d’onde plus longues, l’IXPE gérant les photons les plus énergétiques. De plus, les chercheurs ont recherché dans les archives de plusieurs observatoires des observations antérieures de Markarian 501, ce qui leur a permis de déterminer si la polarisation était stable dans le temps.

En général, sur tout le spectre, des ondes radio aux rayons gamma, les polarisations mesurées étaient à quelques degrés l’une de l’autre. Il était également stable dans le temps et son alignement augmentait à des énergies de photons plus élevées.

Il y a encore une petite différence de polarisation, ce qui indique relativement peu de perturbation au site de collision, ce qui n’est pas vraiment une surprise. Mais il est beaucoup moins turbulent que ce à quoi on pourrait s’attendre d’une matière turbulente avec des champs magnétiques complexes.

Bien que ces résultats permettent de mieux comprendre comment les trous noirs produisent de la lumière, ce processus dépend finalement de la production de jets, qui se produisent à proximité du trou noir. La façon dont ces jets se forment n’est toujours pas vraiment comprise, donc les gens qui étudient l’astrophysique des trous noirs ont encore des raisons de se remettre au travail après le week-end.

la nature2022. DOI : 10.1038 / s41586-022-05338-0 (À propos des DOI).