;
Наука 4 декабря 2021

НАСА изучит, как испускают рентгеновские лучи черные дыры и пульсары

Далее

Миссию IXPE запустят 9 декабря, и ее задача — измерить поляризацию рентгеновских лучей. Так НАСА хочет изучить магнитные взаимодействия в пульсарах и магнитарах, а еще — попытаться понять механику джетов в черных дырах.

IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) — небольшая 300-килограммовая обсерватория, которая, несмотря на размеры, нацелена на изучение сложнейших объектов Вселенной: коллапсирующих нейтронных звезд и черных дыр. IXPE будет замерять интенсивность магнитных полей и определять, как это влияет на испускаемые объектами рентгеновские лучи. Но в первую очередь ученые попытаются понять, как эти звезды и черные дыры в принципе излучают радиацию.

Рентгеновские лучи появляются, когда газ нагревается до сотен миллионов градусов Цельсия и ионизируется, образуя плазму — бурлящую смесь электронов и ионов. Обычно магнитные и электрические поля фотонов колеблются перпендикулярно их пути, но в случайных направлениях. Однако магнитные условия при их появлении или взаимодействия на их пути могут поляризовать фотоны, располагая колебания в одной плоскости.

Орбитальная солнечная обсерватория 8, запущенная в 1975 году, обнаружила небольшое поляризованное рентгеновское излучение одного источника — Крабовидной туманности. С тех пор вопросов, на которые могут ответить такие рентгеновские лучи, стало намного больше, но только IXPE наконец полетит искать ответы. До этого считалось, что излучения может быть слишком мало и миссии для их исследования нецелесообразны.

Так выглядела ОСО 8 — орбитальная станция, которая впервые обнаружила рентгеновское излучение 

IXPE будет изучать источники космического рентгеновского излучения как минимум два года. В арсенале обсерватории три идентичных телескопа — такое решение оказалось дешевле, чем одно большое устройство, к тому же так они лучше защищены от сбоев. Телескопы держит в четырех метрах от детекторов мачта, которая выдвигается после запуска.

Каждый телескоп — это цилиндр с 24 концентрическими оболочками, которые фокусируют рентгеновские лучи через скользящие отражения (при этом рентгеновские лучи проходят через стандартные зеркала телескопа). Датчики, предоставленные Итальянским космическим агентством, улавливают рентгеновские лучи и поляризацию в слое газообразного диметилового эфира. Рентгеновский луч попадает в атом газа и выбивает электрон, а он, в свою очередь, стремится вылететь в направлении поляризации, оставляя видимый след. Изображения множества следов и путей их распространения показывают, насколько поляризован свет и в каком направлении.

Пульсары — главная цель IXPE. Они имеют диаметр до 30 км и очень быстро вращаются: иногда сотню раз в секунду, испуская радиоволны, рентгеновские лучи и иное излучение. И всё это пролетает мимо Земли.

Конкурирующие теории о происхождении излучения предполагают в качестве источника разные части пульсара — всю поверхность, полюса или атмосфера. Каждая версия предполагает, что поляризация в рентгеновских лучах по всей его поверхности, на его полюсах или в его атмосфере. Каждая теория предсказывает, что сигнал поляризации варьируется по времени, но IXPE умеет их различать.

Еще в поле зрения миссии находятся магнитары — звездные остатки, подобные пульсарам, но с еще более мощными магнитными полями (в 100 миллионов раз сильнее, чем любой магнит, созданный на Земле). Силовые линии магнитного поля смещают быстродвижущиеся электроны на спиралевидную траекторию, вынуждая их испускать поляризованные рентгеновские лучи, известные как синхротронное излучение. Анализируя изменение поляризации рентгеновских лучей при вращении магнитара, ученые смогут «зарисовать» поле, окружающее небесное тело, и засекать вспышки.

Поляризация также может показать, насколько «голодной» была сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути. Газ и пыль, вращающиеся вокруг активной и накапливающей вещество черной дыры, ярко светятся рентгеновскими лучами по мере нагревания гравитационными силами вблизи горизонта событий. Рентгеновские лучи, поступающие прямо из черной дыры Млечного Пути, тусклые, и это говорит о ее неподвижном состоянии.

Однако до нас могут долететь и рентгеновские лучи, испущенные раньше, но затерянные в далеких газовых облаках. Это рассеяние оставляет след поляризации на рентгеновских лучах, а значит они пришли из центра галактики, а не из облака. Более того, яркость этих лучей покажет, была ли черная дыра более активной десятки тысяч лет назад.

Хотя основная цель IXPE — пульсары, самым большим успехом может стать понимание механики мощных джетов (релятивистских струй), испускаемых сверхмассивными черными дырами в далеких галактиках. Струи выбрасывают в космос вещество на расстояние до 10 миллионов световых лет — это в 100 раз больше диаметра Млечного Пути. Исследователи полагают, что поля, создаваемые перемешиванием заряженных частиц в аккреционном диске, объединяются с магнитным полем черной дыры и вбрасывают материал и силовые линии в струи. А они уже извергаются с обоих полюсов черной дыры.

Другие рентгеновские телескопы фиксировали рентгеновские лучи, испускаемые близко к основанию струи, и, вероятно, это синхротронное излучение. Но что заставляет электроны развивать скорость, близкую к световой, когда они вращаются вокруг силовых линий?

Одно из объяснений — ударные волны быстродвижущейся плазмы. Другое — магнитное пересоединение: силовые линии напряженного поля ломаются и повторно соединяются, высвобождая энергию, а она ускоряет электроны. Измерения поляризации, полученные IXPE, дадут представление, насколько велика и хаотична эта область излучения и что ускоряет электроны. Более того, может даже получиться, что верны обе теории.


Читать далее

Ученые восстановили лицо женщины бронзового века, которую похоронили с драгоценностями

Ученые изучили необъяснимые сигналы с Венеры: возможно, это активный вулкан

Что будет, если Солнце исчезнет: через неделю, год и миллион лет

Загрузка...