Bagaimana Quasar Menghasilkan Cahayanya – Polarisasi sinar-X mengungkap mekanisme di balik sumber radiasi terkuat di alam semesta

Suar kosmik: Para astronom telah menemukan bagaimana quasar menghasilkan radiasi intens yang mencakup miliaran tahun cahaya. Oleh karena itu, bagian berenergi tertinggi dari radiasi ini terjadi ketika partikel yang dipercepat oleh lubang hitam ini mengalami shock front dan melambat secara tiba-tiba. Ini melepaskan radiasi sinkrotron, terutama dalam rentang sinar-X. Baru kemudian komponen radiasi dengan panjang gelombang lebih panjang muncul, para peneliti melaporkan dalam jurnal Nature.

Quasar adalah objek paling terang di alam semesta. Kerucut radiasi yang intens dari AGN dapat bersinar seterang mereka Ratusan miliar matahari Ini berjalan miliar tahun cahaya jauh di luar angkasa. Sumber radiasi masif ini adalah lubang hitam supermasif di pusat galaksi-galaksi jauh ini: ia menyedot materi dalam jumlah besar dan memancarkan energi dalam bentuk partikel dan radiasi yang dipercepat. Quasar, yang pancaran radiasi dan partikelnya langsung menuju Bumi, disebut blazar.

Dampak frontal atau turbulensi?

Namun bagaimana radiasi quasar muncul secara detail belum begitu jelas. Pengamatan dan model menunjukkan bahwa semburan partikel berkecepatan tinggi yang sangat besar adalah sumber emisi energi tinggi. Mirip dengan akselerator partikel atau sistem sinkrotron untuk laser sinar-X, partikel ini dapat melepaskan energi berlebih sebagai radiasi jika melambat atau menyimpang.

Namun, masih belum jelas mekanisme perlambatan partikel cepat dalam jet quasar — ​​apakah karena tiba-tiba di depan kejut atau distribusinya di atas jet selama turbulensi. Hal ini dapat dibedakan, antara lain, dengan polarisasi radiasi: semakin banyak radiasi terarah dari quasar, sumber di bidang seharusnya semakin fokus dan seragam.

Masalahnya, bagaimanapun, sejauh ini polarisasi radiasi quasar hanya dapat diukur dalam kisaran gelombang radio dan cahaya optik – dan ini tampaknya menunjukkan daerah asal yang lebih menyebar dan bergejolak. Pengukuran ini tidak tersedia untuk sinar-X energi tinggi.

Pengukuran sinar-X pertama di Blazar

Sekarang telah berubah: Pada Desember 2021, sebuah teleskop luar angkasa baru diluncurkan, yang dapat mengukur polarisasi sinar-X kosmik untuk pertama kalinya. “X-ray Imaging Polarimetry Explorer (IXPE7) dapat memberikan gambaran yang lebih lengkap dari wilayah emisi quasar daripada yang mungkin sebelumnya,” Ioannis Liudakis dari Pusat Astronomi Finlandia di Turku dan rekannya menjelaskan.

Dalam studinya, para astronom menggunakan satelit IXPE7 untuk menganalisis radiasi dari Markrian 501 Blazar. Inti galaksi aktif ini berjarak sekitar 450 juta tahun cahaya dari kita, sehingga radiasinya tampak sangat kuat dan mudah diukur. Jadi, ini adalah plazar pertama yang diperiksa menggunakan poleometer sinar-X pada Maret 2022. Secara paralel, beberapa observatorium lain telah mengambil radiasi dari sisa panjang gelombang quasar ini.

Sumber sinar-X dan berbagai radiasi lainnya

Pengukuran telah menunjukkan: pada pita spektrum energi rendah, radiasi quasar terpolarisasi lemah dan tidak merata. Namun, ini berbeda dalam rentang sinar-X berenergi tinggi: Di ​​sana, polarimeter mencatat polarisasi lebih dari sepuluh persen dan sudut yang sesuai dengan arah jet quasar, Lioudakis dan timnya melaporkan.

Dengan demikian, data ini memberikan informasi penting tentang asal usul radiasi sinar-X ini. “Ini menunjukkan bahwa shock front adalah sumber percepatan partikel,” jelas para peneliti. Menurut ini, radiasi berenergi tinggi ini dilepaskan karena partikel dalam jet, yang dipercepat oleh medan magnet lubang hitam, bertabrakan dengan wilayah partikel yang lebih lambat. Di bagian depan kejut ini, tiba-tiba diperlambat dan sinar-x ditembakkan.

Di belakang shock front quasar jet, partikel terus berpacu, tetapi kehilangan energi. “Akibatnya, mereka sekarang memancarkan radiasi dengan panjang gelombang yang lebih panjang semakin jauh dari wilayah ini,” kata Lioudakis dan rekan-rekannya. Dari polarisasi tidak teratur dari radiasi berenergi rendah ini, mereka menyimpulkan bahwa jet menjadi semakin bergejolak di wilayah ini.

“Titik balik dalam memahami blazar”

Untuk pertama kalinya, para astronom mendapatkan wawasan tentang mekanisme di balik sumber radiasi paling terang di alam semesta. “Hasil kami menunjukkan bahwa polarimetri multi-panjang gelombang dapat secara unik menyelidiki kondisi fisik di sekitar lubang hitam supermasif,” kata Lioudakis dan timnya. Data pengukuran tambahan dari IXPE dan instrumen lainnya dapat mengungkap lebih banyak detail dari proses ini di masa mendatang.

Ahli astrofisika Leah Marcutoli dari Universitas Yale, yang tidak terlibat dalam penelitian tersebut, juga melihat hasil ini sebagai pencapaian penting. “Ini menandai titik balik dalam pemahaman kita tentang pohon,” tulisnya dalam keterangan yang menyertainya. “Ini adalah lompatan besar dalam upaya kami untuk memahami akselerator partikel ekstrem ini.” Polarimetri sinar-X sekarang juga dapat menunjukkan apakah mekanismenya sama di semua quasar dan apa peran partikel yang berbeda – elektron dan proton – dalam generasi jet. (Alam, 2022; doi: 10.1038/s41586-022-05338-0)
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05338-0

Sumber: Alam

24 November 2022

– Nadia Podbrigar