NASA's IXPE helpt bij het oplossen van Black Hole Jet Mystery

[univers]

Enkele van de helderste objecten aan de hemel worden blazars genoemd. Ze bestaan ​​uit een superzwaar zwart gat dat zich voedt met materiaal dat eromheen wervelt in een schijf, die aan elke kant twee krachtige jets loodrecht op de schijf kan creëren. Een blazar is bijzonder helder omdat een van zijn krachtige jets van snelle deeltjes recht op de aarde wijst. Decennia lang hebben wetenschappers zich afgevraagd: hoe worden deeltjes in deze jets versneld tot zulke hoge energieën?

NASA's Imaging X-Ray Polarimetry Explorer, of IXPE , heeft astronomen geholpen dichter bij een antwoord te komen. In een nieuwe studie in het tijdschrift Nature , geschreven door een grote internationale samenwerking, vinden astronomen dat de beste verklaring voor de deeltjesversnelling een schokgolf in de jet is.

"Dit is een 40 jaar oud mysterie dat we hebben opgelost", zegt Yannis Liodakis, hoofdauteur van de studie en astronoom bij FINCA, het Finse centrum voor astronomie van ESO. "We hadden eindelijk alle stukjes van de puzzel en het beeld dat ze maakten was duidelijk."


Deze illustratie toont NASA's IXPE-ruimtevaartuig, rechts, en observeert blazar Markarian 501, links. Een blazar is een zwart gat omgeven door een schijf van gas en stof met een heldere straal van hoogenergetische deeltjes die naar de aarde is gericht. De inzetafbeelding toont hoogenergetische deeltjes in de straal (blauw). Wanneer de deeltjes de schokgolf raken, weergegeven als een witte balk, worden de deeltjes geactiveerd en zenden ze röntgenstralen uit terwijl ze versnellen. Ze gaan weg van de schok en zenden licht met een lagere energie uit: eerst zichtbaar, dan infrarood en radiogolven. Verder van de schok zijn de magnetische veldlijnen chaotischer, waardoor er meer turbulentie in de deeltjesstroom ontstaat.
Credits: NASA/Pablo Garcia

De op 9 december 2021 gelanceerde IXPE-satelliet, een samenwerking tussen NASA en de Italiaanse ruimtevaartorganisatie, levert een speciaal soort gegevens die nog nooit eerder vanuit de ruimte toegankelijk waren. Deze nieuwe gegevens omvatten de meting van de polarisatie van röntgenlicht, wat betekent dat IXPE de gemiddelde richting en intensiteit detecteert van het elektrische veld van lichtgolven waaruit röntgenstralen bestaan. Informatie over de oriëntatie van het elektrische veld in röntgenlicht en de mate van polarisatie is niet toegankelijk voor telescopen op aarde omdat de atmosfeer röntgenstralen uit de ruimte absorbeert.

"De eerste röntgenpolarisatiemetingen van deze klasse van bronnen maakten voor het eerst een directe vergelijking mogelijk met de modellen die zijn ontwikkeld door het observeren van andere lichtfrequenties, van radio tot gammastraling met zeer hoge energie", zei Immacolata Donnarumma, de projectwetenschapper voor IXPE bij de Italiaanse ruimtevaartorganisatie. "IXPE zal nieuw bewijs blijven leveren naarmate de huidige gegevens worden geanalyseerd en in de toekomst aanvullende gegevens worden verkregen."

De nieuwe studie gebruikte IXPE om naar Markarian 501 te wijzen, een blazar in het sterrenbeeld Hercules. Dit actieve zwarte gatenstelsel bevindt zich in het centrum van een groot elliptisch sterrenstelsel.

IXPE keek begin maart 2022 drie dagen naar Markarian 501 en twee weken later nog eens. Tijdens deze waarnemingen gebruikten astronomen andere telescopen in de ruimte en op de grond om informatie over de blazar te verzamelen in een breed bereik van golflengten van licht, waaronder radio, optische en röntgenstraling. Terwijl andere studies in het verleden hebben gekeken naar de polarisatie van licht met lagere energie van blazars, was dit de eerste keer dat wetenschappers dit perspectief konden krijgen op de röntgenstralen van een blazar, die dichter bij de bron van deeltjesversnelling worden uitgezonden.

"Het toevoegen van röntgenpolarisatie aan ons arsenaal aan radio-, infrarood- en optische polarisatie is een game-wisselaar", zegt Alan Marscher, een astronoom aan de Boston University die de groep leidt die gigantische zwarte gaten met IXPE bestudeert.

Wetenschappers ontdekten dat röntgenlicht meer gepolariseerd is dan optisch licht, dat meer gepolariseerd is dan radio. Maar de richting van het gepolariseerde licht was hetzelfde voor alle golflengten van het waargenomen licht en was ook uitgelijnd met de richting van de jet.

Na hun informatie te hebben vergeleken met theoretische modellen, besefte het team van astronomen dat de gegevens het meest overeenkwamen met een scenario waarin een schokgolf de straaldeeltjes versnelt. Een schokgolf wordt gegenereerd wanneer iets sneller beweegt dan de geluidssnelheid van het omringende materiaal, zoals wanneer een supersonische straalvliegtuig voorbij vliegt in de atmosfeer van onze aarde.

De studie was niet bedoeld om de oorsprong van schokgolven te onderzoeken, die nog steeds mysterieus zijn. Maar wetenschappers veronderstellen dat een verstoring in de stroom van de straal ervoor zorgt dat een deel ervan supersonisch wordt. Dit kan het gevolg zijn van botsingen met hoge energiedeeltjes in de jet, of van abrupte drukveranderingen aan de jetgrens.

"Naarmate de schokgolf de regio doorkruist, wordt het magnetische veld sterker en wordt de energie van deeltjes hoger", zei Marscher. "De energie komt van de bewegingsenergie van het materiaal dat de schokgolf veroorzaakt."

Terwijl deeltjes naar buiten reizen, zenden ze eerst röntgenstralen uit omdat ze extreem energiek zijn. Als ze verder naar buiten gaan, door het turbulente gebied verder van de locatie van de schok, beginnen ze energie te verliezen, waardoor ze minder energetisch licht uitzenden, zoals optische en vervolgens radiogolven. Dit is analoog aan hoe de stroming van water turbulenter wordt nadat het een waterval tegenkomt - maar hier creëren magnetische velden deze turbulentie.

Wetenschappers zullen de Markarian 501 blazar blijven observeren om te zien of de polarisatie in de loop van de tijd verandert. IXPE zal tijdens zijn tweejarige hoofdmissie ook een bredere verzameling blazars onderzoeken, waarbij meer langdurige mysteries over het universum worden onderzocht. "Het maakt deel uit van de vooruitgang van de mensheid in de richting van het begrijpen van de natuur en al haar exotisme," zei Marscher.

Geschreven door Elizabeth Landau
NASA-hoofdkwartier

https://www.nasa.gov/feature/nasa-s-ixp ... et-mystery

[univers]

NASA Goddard-wetenschappers creëren Black Hole-jets met NCCS Discover Supercomputer


Nieuwe simulaties uitgevoerd op de NASA Center for Climate Simulation (NCCS) Discover-supercomputer laten zien hoe zwakkere stralen met een lage helderheid, geproduceerd door het monsterlijke zwarte gat van een melkwegstelsel, interageren met hun galactische omgeving. Omdat deze jets moeilijker te detecteren zijn, helpen de simulaties astronomen om deze interacties te koppelen aan kenmerken die ze kunnen waarnemen, zoals verschillende gasbewegingen en optische en röntgenstraling. Video van het Goddard Space Flight Center van NASA.

Door gebruik te maken van het NASA Center for Climate Simulation ( NCCS ), voerden wetenschappers van het NASA Goddard Space Flight Center 100 simulaties uit om jets te onderzoeken - smalle bundels van energetische deeltjes - die met bijna lichtsnelheid uit superzware zwarte gaten tevoorschijn komen. Deze kolossen bevinden zich in de centra van actieve, stervormende sterrenstelsels zoals ons eigen Melkwegstelsel, en kunnen miljoenen tot miljarden keren de massa van de zon wegen.

Terwijl stralen en winden uit deze actieve galactische kernen (AGN) stromen, "reguleren ze het gas in het centrum van de melkweg en beïnvloeden ze zaken als de snelheid van stervorming en hoe het gas zich vermengt met de omringende galactische omgeving", legt hoofdonderzoeker uit. Ryan Tanner , een postdoc in het X-ray Astrophysics Laboratory van NASA Goddard.

"Voor onze simulaties hebben we ons gericht op minder bestudeerde jets met een lage helderheid en hoe ze de evolutie van hun gaststelsels bepalen." zei Tanner. Hij werkte samen met X-ray Astrophysics Laboratory-astrofysicus Kimberly Weaver aan de computationele studie, die verschijnt in The Astronomical Journal.

Observationeel bewijs voor jets en andere AGN-uitstromen kwam eerst van radiotelescopen en later van röntgentelescopen van NASA en de European Space Agency. In de afgelopen 30 tot 40 jaar hebben astronomen, waaronder Weaver, een verklaring voor hun oorsprong samengesteld door optische, radio-, ultraviolet- en röntgenwaarnemingen met elkaar te verbinden (zie de volgende afbeelding hieronder). "Jets met hoge helderheid zijn gemakkelijker te vinden omdat ze enorme structuren creëren die te zien zijn in radiowaarnemingen", legt Tanner uit. "Jets met een lage helderheid zijn een uitdaging om observatief te bestuderen, dus de astronomiegemeenschap begrijpt ze ook niet."


Deze afbeeldingen tonen de diversiteit aan jets van zwarte gaten. Links: NGC 1068, een van de dichtstbijzijnde en helderste sterrenstelsels (groen en rood) met een snel groeiend superzwaar zwart gat, drijft een jet (blauw) aan die veel kleiner is dan het sterrenstelsel zelf. Afbeelding door NASA/CXC/MIT/C.Canizares, D.Evans et al. (röntgenfoto); NASA/STScI (optisch); en NSF/NRAO/VLA (radio). Rechts: Het stelsel Centaurus A onthult deeltjesstralen die zich ver boven en onder de schijf van het stelsel uitstrekken. Afbeelding door ESO/WFI (optisch); MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al. (submillimeter); en NASA/CXC/CfA/R. Kraft et al. (röntgenfoto).

Voer NASA-simulaties met supercomputers in. Voor realistische startomstandigheden gebruikten Tanner en Weaver de totale massa van een hypothetisch sterrenstelsel ter grootte van de Melkweg. Voor de gasverdeling en andere AGN-eigenschappen keken ze naar spiraalstelsels zoals NGC 1386, NGC 3079 en NGC 4945.

Tanner paste de Athena -code voor astrofysische hydrodynamica aan om de effecten van de jets en het gas op elkaar te onderzoeken in een ruimte van 26.000 lichtjaar, ongeveer de helft van de straal van de Melkweg. Uit de volledige set van 100 simulaties selecteerde het team er 19 - die 800.000 kernuren op de NCCS Discover-supercomputer verbruikten - voor publicatie.

"Door de supercomputing-bronnen van NASA te kunnen gebruiken, konden we een veel grotere parameterruimte verkennen dan wanneer we meer bescheiden bronnen zouden moeten gebruiken", zei Tanner. "Dit leidde tot het blootleggen van belangrijke relaties die we niet konden ontdekken met een beperktere reikwijdte."


De jet-simulaties van het zwarte gat werden uitgevoerd op de 127.232-core Discover-supercomputer bij het NCCS. Foto door NASA's Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab.

De simulaties brachten twee belangrijke eigenschappen van stralen met een lage helderheid aan het licht:

Ze hebben veel meer interactie met hun gaststelsel dan jets met hoge helderheid.
Ze beïnvloeden en worden beïnvloed door het interstellaire medium in de melkweg, wat leidt tot een grotere verscheidenheid aan vormen dan jets met hoge helderheid.

"Impact: deze simulaties tonen aan dat interacties tussen jets en hun gastheerstelsels gebieden van optische en röntgenstraling kunnen verklaren, evenals een verscheidenheid aan gasbewegingen, waargenomen in sommige actieve galactische kernen (AGN)."

"We hebben de methode gedemonstreerd waarmee de AGN zijn melkweg beïnvloedt en de fysieke kenmerken veroorzaakt, zoals schokken in het interstellaire medium, die we al ongeveer 30 jaar waarnemen", zei Weaver. “Deze resultaten zijn goed te vergelijken met optische en röntgenwaarnemingen. Ik was verrast hoe goed de theorie overeenkomt met waarnemingen en beantwoordt aan langdurige vragen die ik heb gehad over AGN die ik heb bestudeerd als afgestudeerde student, zoals NGC 1386! En nu kunnen we uitbreiden naar grotere monsters.”

[youtube-2]https://youtu.be/EhBuldr_AY8[/youtube-2]
Deze visualisatie toont de complexe structuur van de jet (oranje en paars) van een actief melkwegstelsel, verstoord door interstellaire moleculaire wolken (blauw en groen). Met de jet 30 graden gericht op het centrale vlak van de melkweg, heeft uitgebreidere interactie met de sterren en gaswolken van de melkweg ervoor gezorgd dat de jet in tweeën is gesplitst. Visualisatie door Ryan Tanner en Kim Weaver, NASA Goddard.

https://www.nccs.nasa.gov/news-events/n ... -hole-jets