Το διαστημικό τηλεσκόπιο IXPE της NASA λύνει το μυστήριο της δημιουργίας ακτίνων Χ στις μαύρες τρύπες

Ο διάσημος δορυφόρος IXPE εκτοξεύτηκε τον Δεκέμβριο του 2021 και αποτελεί συνεργασία μεταξύ της NASA και της Ιταλικής Διαστημικής Υπηρεσίας, με επιστημονικούς συνεργάτες σε 12 χώρες.  Κατασκευάστηκε για να αποκαλύψει τα μυστικά των πιο ακραίων αντικειμένων στο σύμπαν, όπως τα απομεινάρια εκρήξεων supernova, ή τους πίδακες σωματιδίων που ξεπηδούν από μαύρες τρύπες (blazars) ανοίγοντας ένα νέο παράθυρο στο Σύμπαν. 

Νέα ευρήματα από μια διεθνή ομάδα αστροφυσικών, με βάση τα δεδομένα που συλλέχθηκαν από τον IXPE, αποκάλυψαν τον μηχανισμό που δημιουργεί τη φωτεινή ακτινοβολία ακτίνων Χ, η οποία σχετίζεται με τους εξαιρετικά ισχυρούς πίδακες πλάσματος που ξεπηδούν από υπερμαζικές μαύρες τρύπες.

Οι μεγαλύτερες σε μάζα μαύρες τρύπες κατοικούν σε μακρινούς γαλαξίες, τροφοδοτώντας άφθονο αέριο στα γαλαξιακά κέντρα. Ένα μικρό ποσοστό από αυτές δημιουργεί σταθερά φωτεινά αντικείμενα στον ουρανό, που αποτελούνται από έναν δίσκο αερίων και δύο ευθυγραμμισμένους, ταχείς και εξαιρετικά ισχυρούς πίδακες πλάσματος που αναδύονται κάθετα απ’ αυτόν. Όταν οι πίδακες είναι προσανατολισμένοι προς τη Γη, ονομάζουμε αυτά τα συστήματα blazars.

Ενώ τα πρώτα blazars ανακαλύφθηκαν τη δεκαετία του '60, ο τρόπος με τον οποίο επιταχύνονται τα σωματίδια μέσα στους πίδακες και το πώς παράγονται οι υψηλής ενέργειας ακτίνες Χ παρέμεναν ένα μυστήριο μέχρι σήμερα. Οι ακτίνες Χ θα μπορούσαν να εκπέμπονται είτε από επιταχυνόμενα ηλεκτρόνια είτε από πρωτόνια, φτάνοντας τα ίδια τις εξαιρετικά υψηλές ενέργειες. 

Στην πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Astrophysical Journal Letters, οι αστρονόμοι του IXPE διαπίστωσαν ότι οι ακτίνες Χ στους πίδακες πρέπει να δημιουργούνται μέσω της σκέδασης Compton, ενός μηχανισμού που προέρχεται από τα ηλεκτρόνια μέσα στον πίδακα.

Η σκέδαση Compton (ή το φαινόμενο Compton) είναι η κβαντική θεωρία των φωτονίων που σκεδάζονται (αλλάζουν κατεύθυνση κίνησης) μετά από μια αλληλεπίδραση με ένα φορτισμένο σωματίδιο, συνήθως ένα ηλεκτρόνιο. Όταν το φωτόνιο προσκρούσει σε ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να κερδίσει ενέργεια μετά τη σκέδαση. 

Πηγή: https://www.physics4u.gr/articles/2002/comptonscatter.html

Στην περίπτωση ενός πίδακα blazar, τα ηλεκτρόνια έχουν αρκετή ενέργεια για να σκεδάσουν φωτόνια χαμηλότερης ενέργειας, σε ενέργειες ακτίνων Χ. O IXPE είναι ο μόνος δορυφόρος στον κόσμο που μπορεί να μετρήσει την πόλωση των ακτίνων Χ.  Η πόλωση είναι μια ιδιότητα του φωτός που περιγράφει τη μέση κατεύθυνση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων που συνθέτουν το φως. Εάν οι ακτίνες Χ έχουν χαμηλό βαθμό πόλωσης σε σύγκριση με την πόλωση στο οπτικό φάσμα,  υποδηλώνεται ότι παράγονται από τη σκέδαση Compton από ηλεκτρόνια. Εάν οι ακτίνες Χ και το οπτικό έχουν τον ίδιο βαθμό πόλωσης, τότε η ακτινοβολία παράγεται από πρωτόνια. 

Η τελευταία μελέτη από το IXPE χρησιμοποίησε δεδομένα από ένα blazar που ονομάζεται BL Lacertae μαζί με πολλά οπτικά και ραδιοτηλεσκόπια που βρίσκονται σε όλη τη Γη, συμπεριλαμβανομένου και του πολωσίμετρου RoboPol  στο Αστεροσκοπείο του Σκίνακα. Το RoboPol έχει συμμετάσχει σε πολλές από τις ανακαλύψεις του IXPE για τις μαύρες τρύπες. Αυτή την φορά όμως, οι παρατηρήσεις από τον Σκίνακα ήταν ιδιαίτερης σημασίας λόγω τις μεταβλητότητας στην οπτική πόλωση του BL Lacertae.  Κατά τις παρατηρήσεις πόλωσης ακτίνων Χ, η οπτική πόλωση του BL Lac έφτασε το 47%,  ενώ στις ακτίνες Χ ήταν χαμηλότερη από 7.4%.

«Αυτό είναι το πιο πολωμένο blazar που έχει παρατηρηθεί ποτέ! Ο ρόλος του Αστεροσκοπείου του Σκίνακα συνέβαλε σημαντικά στην ανίχνευση του υψηλού βαθμού πόλωσης. Χωρίς τις παρατηρήσεις από τον Σκίνακα και τα άλλα τηλεσκόπια δεν θα είχαμε καταφέρει να δούμε τόσο υψηλό βαθμό πόλωσης»  είπε ο Ιωάννης Λιοδάκης, ένας από τους κύριους συγγραφείς της μελέτης και ερευνητής στο Ινστιτούτο Αστροφυσικής – ΙΤΕ.

Ο Ι. Λιοδάκης είναι υπεύθυνος για τον συντονισμό των οπτικών και ραδιοφωνικών παρατηρήσεων των blazar του IXPE από την εκτόξευση του, το 2021. Τα αποτελέσματα του IXPE δείχνουν ξεκάθαρα τα ηλεκτρόνια που παράγουν ακτίνες Χ στους πίδακες από blazars. 

Στη μελέτη αυτή, από το Ινστιτούτο Αστροφυσικής του ΙΤΕ συμμετέχουν επίσης ως συν-συγγραφείς, οι ερευνητές Dmitry Blinov και  Carolina Casadio.

Το IXPE διευθύνεται από το Marshall Space Flight Center της NASA στο Huntsville της Αλαμπάμα. Το Ball Aerospace, με έδρα το Broomfield του Κολοράντο, διαχειρίζεται τις λειτουργίες διαστημικών σκαφών μαζί με το Εργαστήριο Ατμοσφαιρικής και Διαστημικής Φυσικής του Πανεπιστημίου του Κολοράντο στο Boulder.

Μάθετε περισσότερα για τη συνεχιζόμενη αποστολή του IXPE εδώ: https://www.nasa.gov/ixpe