Рентгеновское излучение джетов черных дыр неожиданно меняется, бросая вызов ведущей модели ускорения частиц

Удивительные новые открытия в Nature Astronomy исключают одну ведущую теорию, открывая дверь для переосмысления того, как работает ускорение частиц в джетах — и, возможно, в других местах во Вселенной.

Одна из ведущих моделей того, как джеты генерируют рентгеновское излучение, предполагает, что рентгеновское излучение джетов останется стабильным в течение длительного времени (миллионы лет). Но новая статья обнаружила, что рентгеновское излучение статистически значимого количества джетов менялось всего за несколько лет.

«Одна из причин, по которой мы в восторге от этой изменчивости, заключается в существовании двух основные модели образования рентгеновского излучения в этих струях, и они совершенно разные», — объясняет ведущий автор Эйлин Мейер, астроном из Университета Мэриленда. «Одна модель использует электроны с очень низкой энергией, а другая — электроны с очень высокой энергией. И одна из этих моделей совершенно несовместима с любым типом изменчивости».

Для исследования авторы проанализировали архивные данные рентгеновской обсерватории Chandra, самой доступной рентгеновской обсерватории с самым высоким разрешением. Исследовательская группа изучила почти все джеты черных дыр, за которыми Chandra провела несколько наблюдений, что составило 155 уникальных областей в 53 джетах.

Обнаружение относительно частой изменчивости в таких коротких временных масштабах стало революционным в контексте этих джетов, потому что ученые этого совсем не ожидали.

В дополнение к предположению о стабильности рентгеновского излучения во времени, простейшая теория того, как джеты генерируют рентгеновское излучение, предполагает, что ускорение частиц происходит в центре галактики в «двигателе» черной дыры, который приводит в движение джет. Новое исследование обнаружило быстрые изменения в рентгеновском излучении по всей длине джетов. Это говорит о том, что ускорение частиц происходит на всем протяжении джета, на огромных расстояниях от источника джета в черной дыре.

«Есть теории о том, как это могло бы работать, но многое из того, с чем мы работали, теперь явно несовместимо с нашими наблюдениями», — говорит Мейер.

Интересно, что результаты также намекают на то, что джеты, расположенные ближе к Земле, имеют большую изменчивость, чем те, которые расположены намного дальше. Последние находятся так далеко, что к тому моменту, когда исходящий от них свет достигает телескопа, это все равно что оглядываться назад во времени. Для ученых есть смысл, что старые джеты будут иметь меньшую изменчивость. Раньше Вселенная была меньше, а окружающее излучение больше, что могло привести к большей стабильности рентгеновских лучей в джетах.

Несмотря на выдающееся разрешение изображений Chandra, набор данных вызвал серьезные проблемы. Chandra наблюдала за некоторыми очагами изменчивости всего с горсткой рентгеновских фотонов. И изменчивость рентгеновского излучения в данной джете обычно составляла десятки процентов или около того. Чтобы избежать непреднамеренного учета случайности как реальной изменчивости, Мейер сотрудничал со статистиками из Университета Торонто и Имперского колледжа Лондона.

«Извлечение этого результата из данных было почти чудом, потому что наблюдения не были предназначены для обнаружения», — говорит Мейер. Анализ группы показывает, что от 30 до 100 процентов джетов в исследовании показали изменчивость в коротких временных масштабах. «Хотя мы хотели бы улучшить ограничения, изменчивость явно не равна нулю».

Новые результаты создают существенные бреши в одной из основных теорий образования рентгеновского излучения в джетах черных дыр, и Мейер надеется, что статья подстегнет дальнейшую работу. «Надеюсь, это станет настоящим призывом к теоретикам в основном взглянуть на этот результат и разработать модели джетов, которые согласуются с тем, что мы находим».