Hoe quasars hun licht genereren – Röntgenpolarisatie onthult het mechanisme achter de krachtigste stralingsbron in het universum

Kosmische bakens: astronomen hebben ontdekt hoe quasars hun intense straling genereren die miljarden lichtjaren overspant. Dienovereenkomstig treedt het hoogste energiedeel van deze straling op wanneer deeltjes die door deze zwarte gaten worden versneld, een schokfront tegenkomen en abrupt vertragen. Hierbij komt synchrotronstraling vrij, voornamelijk in het röntgenbereik. Pas later kwamen andere stralingscomponenten met een langere golflengte naar boven, rapporteren de onderzoekers in het tijdschrift Nature.

Quasars zijn de helderste objecten in het universum. De intense stralingskegels van AGN’s kunnen net zo helder schijnen als zij Honderden miljarden zonnen Het gaat miljard lichtjaren ver in de ruimte. De bron van deze enorme straling is het superzware zwarte gat in het centrum van deze verre sterrenstelsels: het zuigt grote hoeveelheden materiaal op en zendt energie uit in de vorm van deeltjes en versnelde straling. Quasars, waarvan de straling en deeltjesstralen rechtstreeks naar de aarde gaan, worden blazars genoemd.

Frontale botsing of turbulentie?

Maar hoe de straling van de quasar er in detail uitziet, is nog niet erg duidelijk. Waarnemingen en modellen geven aan dat enorme stralen van deeltjes met hoge snelheid de bron zijn van de hoogenergetische emissies. Net als deeltjesversnellers of synchrotronsystemen voor röntgenlasers, kunnen deze deeltjes overtollige energie afgeven als straling als ze vertragen of afwijken.

Het is echter onduidelijk gebleven wat het mechanisme is voor het vertragen van snelle deeltjes in de straal van quasars – hetzij door hun plotselinge optreden aan het schokfront of door hun verdeling over de straal tijdens turbulentie. Dit is onder andere te onderscheiden door de polarisatie van de straling: hoe gerichter de straling van de quasar, hoe geconcentreerder en uniformer de bron in het vlak zou moeten zijn.

Het probleem is echter dat de polarisatie van quasarstraling tot nu toe alleen kan worden gemeten in het bereik van radiogolven en optisch licht – en dit lijkt te wijzen op meer diffuse en turbulente oorsprongsgebieden. Deze metingen waren niet beschikbaar voor hoogenergetische röntgenstralen.

De eerste röntgenmeting in Blazar

Nu is dat veranderd: in december 2021 wordt een nieuwe ruimtetelescoop gelanceerd, die voor het eerst de polarisatie van kosmische röntgenstralen kan meten. “De X-ray Imaging Polarimetry Explorer (IXPE7) kan een completer beeld geven van het quasar-emissiegebied dan voorheen mogelijk was”, leggen Ioannis Liudakis van het Finse Centrum voor Astronomie in Turku en collega’s uit.

In hun studie gebruikten de astronomen de IXPE7-satelliet om de straling van de Markrian 501 Blazar te analyseren. Deze actieve galactische kern is ongeveer 450 miljoen lichtjaar van ons verwijderd, dus de straling ervan lijkt bijzonder intens en gemakkelijk te meten. Het is nu dus het eerste plein dat in maart 2022 met behulp van de röntgenpoleometer is onderzocht. Tegelijkertijd hebben verschillende andere observatoria de straling van de resterende golflengten van deze quasar opgepikt.

De bron van röntgenstralen en verschillende andere stralingen

Metingen hebben aangetoond: in de lagere energiebanden van het spectrum is quasarstraling zwak gepolariseerd en ongelijkmatig. Dit verschilt echter in het hoogenergetische röntgenbereik: daar registreerde de polarimeter een polarisatie van meer dan tien procent en een hoek die overeenkomt met de richting van de straal van de quasar, meldden Lioudakis en zijn team.

Deze gegevens geven dus belangrijke informatie over de oorsprong van deze röntgenstraling. “Dit geeft aan dat het schokfront de bron is van deeltjesversnelling”, legden de onderzoekers uit. Volgens deze komt deze hoogenergetische straling vrij doordat de deeltjes in de jet, versneld door de magnetische velden van het zwarte gat, in botsing komen met een gebied met langzamere deeltjes. Bij dit schokfront wordt het plotseling afgeremd en worden röntgenstralen afgevuurd.

Achter het schokfront van de quasarjet blijven de deeltjes racen, maar ze verliezen energie. “Het resultaat is dat ze nu straling van langere golflengten uitzenden naarmate ze verder van deze regio komen”, zeggen Lioudakis en zijn collega’s. Uit de onregelmatige polarisatie van deze laagenergetische straling leidden ze af dat de jet in dit gebied steeds turbulenter was geworden.

“Een keerpunt in het begrijpen van blazars”

Voor het eerst hebben astronomen inzicht gekregen in de mechanismen achter de helderste stralingsbronnen in het heelal. “Onze resultaten laten zien dat polarimetrie met meerdere golflengten op unieke wijze de fysieke omstandigheden rond superzware zwarte gaten kan onderzoeken”, zeggen Lioudakis en zijn team. Aanvullende meetgegevens van IXPE en andere instrumenten zouden in de toekomst meer details van deze processen kunnen onthullen.

Ook astrofysicus Leah Marcutoli van Yale University, die niet betrokken was bij het onderzoek, ziet deze resultaten als een belangrijke prestatie. “Het markeert een keerpunt in ons begrip van bomen”, schreef ze in een begeleidend bijschrift. “Dit is een enorme stap voorwaarts in onze poging om deze extreme deeltjesversnellers te begrijpen.” Röntgenpolarimetrie kan nu ook aantonen of de mechanismen in alle quasars hetzelfde zijn en welke rol de verschillende deeltjes – elektronen en protonen – spelen bij het genereren van jets. (Natuur, 2022; doi: 10.1038/s41586-022-05338-0)
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05338-0

Bron: Natuur

24 november 2022

– Nadia Podbrigar