NASAn IXPE ja pohjoismainen optinen teleskooppi paljastivat mustien aukkojen röntgensäteilyn syntytavan

Kansainvälinen tähtitieteilijöiden tiimi, johon kuuluu kahdeksan Turun yliopiston tutkijaa, on saanut ratkaisevaa tietoa NASAn IXPE-satelliitin (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) sekä muiden havaintolaitteiden keräämien havaintojen avulla. Havaintojen tekemiseen osallistuivat IXPE:n lisäksi yhteispohjoismainen kaukoputki NOT ja Turun yliopistossa rakennettu DIPOL-polarimetri, joka on käytössä Sierra Nevadan observatoriolla.  

Tiimi on onnistunut tunnistamaan mekanismin, joka tuottaa kirkasta röntgensäteilyä erittäin voimakkaista plasmasuihkuista, jotka lähtevät supermassiivisista mustista aukoista.

Blasaarien röntgensäteiden synty oli ratkaisematon arvoitus

Supermassiiviset mustat aukot sijaitsevat kaukaisissa galakseissa ja käyttävät ravintonaan galaksien keskustoissa olevaa runsasta kaasua. Pieni osa näistä mustista aukoista vetää puoleensa niin paljon kaasua, että ne loistavat jatkuvasti kirkkaana. Näihin järjestelmiin kuuluvat mustan aukon ympärillä oleva kaasukiekko ja kaksi hyvin nopeaa ja voimakasta plasmasuihkua, jotka purkautuvat aukon keskustasta kohtisuoraan kiekkoon nähden. Kun suihkut osoittavat kohti Maata,  puhutaan blasaareista.

Ensimmäiset blaasarit löydettiin 1960-luvulla, mutta se, miten hiukkaset kiihtyvät plasmasuihkuissa  ja miten suihkujen röntgensäteily syntyy, pysyi pitkään arvoituksena. Röntgensäteily voi syntyä kiihtyneistä elektroneista tai protoneista, mutta kiihtymismekanismit ovat olleet tutkijoille epäselviä. IXPE on auttanut selvittämään useita mustiin aukkoihin liittyviä kysymyksiä, mutta suihkujen säteily- ja kiihdytysmekanismeja ei tähän mennessä ole onnistuttu ratkaisemaan.

Astrophysical Journal Letters -julkaisussa lähiaikoina ilmestyvässä tutkimuksessa IXPE:n tähtitieteilijät osoittavat, että suihkujen röntgensäteet syntyvät Comptonin sironnassa, eli elektronien aiheuttamana.

– Tämä oli yksi suurimmista mysteereistä mustien aukkojen suihkuissa. IXPE antoi meille vihdoin työkalut tämän ratkaisemiseksi, sanoo tutkimuksen johtava kirjoittaja, tähtitieteilijä Iván Agudo Andalusian astrofysiikan instituutista.

Comptonin sironta tarkoittaa fotonin vuorovaikutusta varatun hiukkasen, yleensä elektronin, kanssa. Fotonin energia muuttuu törmäyksen jälkeen. Blasaarien plasmasuihkuissa elektronit ovat niin korkeaenergisiä, että niiden törmätessä radio- ja infrapunasäteilyn fotoneihin, fotonien energia voi kohota röntgensäteiden energioille.

Matala röntgenpolarisaatio paljasti säteilyn syntymekanismin

IXPE-satelliitti, joka on NASAn ja Italian avaruusjärjestön yhteishanke, laukaistiin joulukuussa 2021. Se avasi uuden ikkunan maailmankaikkeuteen röntgensäteilyn polarisaation avulla. Polarisaatio kuvaa valon sähkömagneettisten aaltojen keskimääräistä suuntaa. IXPE on maailman ainoa satelliitti, joka pystyy mittaamaan röntgenvalon polarisaatiota. Jos suihkujen röntgensäteet olisivat voimakkaasti polarisoituneita, se viittaisi siihen, että ne syntyvät protoneista magneettikentässä. Alhaisempi polarisaatio puolestaan viittaa siihen, että säteet syntyvät elektronien aiheuttamassa Comptonin sironnassa.

Uusimmassa IXPE-tutkimuksessa tarkasteltiin BL Lacertae -nimistä blasaaria (lyhyesti BL Lac), joka on yksi ensimmäisistä löydetyistä blasaareista. Sitä luultiin aluksi muuttuvaksi tähdeksi Lacerten tähdistössä. IXPE havaitsi BL Lacia marraskuun 2023 lopussa seitsemän päivän ajan, samalla kun useat maanpäälliset optiset ja radioteleskoopit mittasivat sen polarisaatiota.

Vaikka BL Lacia on havaittu aiemminkin IXPE:llä, tämä havainto oli poikkeuksellinen. Röntgensäteiden polarisaatio oli matala, mikä viittaa Comptonin sirontaan, mutta samalla havaintojen aikana NOT mittasi BL Lacin optisen polarisaation nousseen 47 prosenttiin.

– Tulos oli niin odottamaton, että tarkistin analyysini kolmeen kertaan. On käsittämätöntä, että muutaman shokkiaallon fotonit voivat loistaa kirkkaammin  kuin satojen miljardien tähtien valo yhteensä, sanoo Turun yliopiston tohtorikoulutettava Pouya Kouch, joka analysoi NOTin havaintoaineiston.

– Tämä ei ollut vain korkein polarisaatio, joka on havaittu BL Lacissa viimeisen 30 vuoden aikana, vaan korkein mitä on koskaan mitattu missään blaasarissa, sanoo Ioannis Liodakis, tutkimuksen pääkirjoittajiin kuuluva astrofyysikko, joka työskenteli aiemmin Suomen ESO-keskuksessa ja nykyisin Kreikan Institute of Astrophysics – FORTH:ssa.

Ennennäkemättömän korkea optinen polarisaatio oli tärkeä havainto, mutta vielä merkittävämpi havainto oli, että röntgensäteet olivat huomattavasti vähemmän polarisoituneita – enintään 7,6 prosenttia.

Tämä optisen ja röntgenpolarisaation ero tarjoaa parhaan mahdollisen testialustan teoreettisille malleille ja viittaa yksiselitteisesti siihen, että röntgensäteet syntyvät elektronien Comptonin sironnan kautta blaasarien suihkuissa.

NOTin blaasaripolarisaation analysointi perustuu FINCAn ja sen tutkijoiden Kari Nilssonin, Elina Lindforsin ja Vandad Fallah Ramazanin vuosien työhön datan käsittelyn automatisoinnissa.

– Optisten polarisaatiomittausten tarkkuus ja luotettavuus olivat tämän projektin kulmakiviä. On ollut hienoa nähdä, miten 2016 kehittämääni data-analyysiä on pystytty hyödyntämään edelleen sen muunneltavuuden ansiosta, sanoo Vandad Fallah Ramazani.

– IXPE:n ja NOTin yhteistyö on ollut poikkeuksellisen menestyksekästä ja ratkaissut useita mustien aukkojen arvoituksia vain kolmessa vuodessa. Jatkamme tätä yhteistyötä ja odotamme innolla, mitä muita yllätyksiä blaasarit meille tarjoavat, sanoi Pouya Kouch, joka toimii tällä hetkellä IXPE-havaintoja tukevien optisten NOT-havaintojen PI:nä.

Tutkimus julkaistaan Astrophysical Journal Letters -lehdessä ja siitä on saatavilla avoin ennakkojulkaisu. 

Linkki ennakkojulkaisuun

Linkki tulossa olevaan julkaisuun

Lisätietoja:

IXPE

IXPE tarjoaa ennennäkemätöntä dataa ja mahdollistaa uraauurtavat löydöt kosmoksessa. Hanke on NASAn ja Italian avaruusjärjestön yhteinen, ja siihen osallistuu tieteellisiä kumppaneita 12 maasta. IXPE:stä vastaa NASAn Marshall Space Flight Center Alabaman Huntsvillessä. Satelliittia operoivat Ball Aerospace ja Coloradon yliopiston Atmospheric and Space Physics -laboratorio.

Lue lisää IXPE:stä

Pohjoismainen optinen teleskooppi (NOT)

NOT on 2,56 metrin teleskooppi, joka sijaitsee Roque de los Muchachos -observatoriossa La Palman saarella, Kanarialla, Espanjassa. Sen omistavat Aarhusin yliopisto (Tanska) ja Turun yliopisto (Suomi).

DIPOL-polarimetri

DIPOL-1 on polarimetri, joka suunniteltiin ja rakennettiin Turun yliopistossa tohtori Vilppu Piirolan johdolla. Laite on asennettu Sierra Nevadan observatoriossa (Granada, Espanja) sijaitsevaan 90 cm T90-teleskooppiin.

FINCA

FINCA (Finnish Centre for Astronomy with ESO) toteuttaa ja koordinoi suomalaista huipputason tähtitieteellistä tutkimusta yhteistyössä Euroopan eteläisen observatorion (ESO) kanssa ja edistää siihen liittyvää teknologista kehitystyötä. FINCA osallistuu myös NOT-teleskoopin kehittämiseen.

Lue lisää FINCAsta