På en måte som dannelsen av en allianse for å beseire Darth Vader's Death Star, dannet astronomer for mer enn et tiår siden Whole Earth Blazar Telescope-konsortiet for å forstå Nature's Death Ray Gun (alias og i motsetning til dens dødsdående klingende navn, GASP har vist seg avgjørende for å avdekke hemmelighetene om hvordan naturens “LHC” fungerer.
"Som universets største akseleratorer, er blazar-jetfly viktig å forstå," sa Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC) Research Fellow Masaaki Hayashida, tilsvarende forfatter i det ferske papiret som presenterte de nye resultatene med KIPAC Astrophysicist Greg Madejski. ”Men hvordan de er produsert og hvordan de er strukturert er ikke godt forstått. Vi ønsker fortsatt å forstå det grunnleggende. "
Blazars dominerer gammastrålehimmelen, diskrete flekker på universets mørke bakteppe. Når nærliggende materie faller ned i det supermassive sorte hullet i midten av en blazar, og "mater" det sorte hullet, sprayer det noe av denne energien tilbake ut i universet som en stråle av partikler.
Forskere hadde tidligere teoretisert at slike jetfly holdes sammen av sterke magnetfeltkvikler, mens lyset fra jetstrålen er skapt av partikler som snor seg rundt disse tynt magnetfelt “linjene”.
Frem til nå har detaljene blitt relativt dårlig forstått. Den siste studien opprører den rådende forståelsen av jetens struktur, og avslører ny innsikt i disse mystiske, men mektige dyrene.
"Dette arbeidet er et viktig skritt mot å forstå fysikken til disse jetflyene," sa KIPAC-direktør Roger Blandford. "Det er denne typen observasjoner som vil gjøre det mulig for oss å finne ut av deres anatomi."
I løpet av et helt år med observasjoner fokuserte forskerne på en bestemt blazar-jet, 3C279, som ligger i stjernebildet Jomfruen, og overvåker den i mange forskjellige bølgebånd: gammastråle, røntgen, optisk, infrarød og radio. Blazars flimrer kontinuerlig, og forskere forventet kontinuerlige endringer i alle bølgebånd. Midtveis i året observerte forskere imidlertid en spektakulær endring i jetens optiske og gammastråleutslipp: en 20 dager lang bluss i gammastråler ble ledsaget av en dramatisk endring i jetens optiske lys.
Selv om det meste optiske lys er upolarisert - bestående av lys med en lik blanding av alle polarisasjoner, kan den ekstreme bøyningen av energiske partikler rundt en magnetfeltlinje polarisere lys. I løpet av den 20 dager lange gammastråle-blusset endret optisk lys fra strålen polarisering. Denne tidsmessige forbindelsen mellom endringer i gammastrålelys og endringer i den optiske polarisasjonen antyder at det opprettes lys i begge bølgebånd i den samme delen av strålen; i løpet av de 20 dagene endret noe i nærmiljøet seg for å få både det optiske lyset og gammastrålen til å variere.
”Vi har en ganske god ide om hvor i jet-optisk lys skapes; nå som vi vet at gammastråler og optisk lys skapes på samme sted, kan vi for første gang bestemme hvor gammastrålene kommer fra, sier Hayashida.
Denne kunnskapen har vidtrekkende konsekvenser om hvordan et supermassivt svart hull produserer polare jetfly. Det store flertallet av energien som frigjøres i en jet slipper ut i form av gammastråler, og forskere trodde tidligere at all denne energien må frigjøres i nærheten av det sorte hullet, nær der saken som strømmer inn i det sorte hullet gir opp sin energi i første plass. Likevel antyder de nye resultatene at - som optisk lys - gamma-strålene slippes ut relativt langt fra det sorte hullet. Dette, sa Hayashida og Madejski, antyder på sin side at magnetfeltlinjene på en eller annen måte må hjelpe energien til å reise langt fra det sorte hullet før det frigjøres i form av gammastråler.
"Det vi fant var veldig forskjellig fra det vi ventet," sa Madejski. ”Dataene antyder at gammastråler ikke produseres en eller to lysdager fra det sorte hullet [som forventet], men nærmere ett lysår. Det er overraskende. "
I tillegg til å avsløre hvor i jet-lyset blir produsert, avslører gradvis endring av det optiske lysets polarisering også noe uventet med den generelle formen til jet: jet ser ut til å bøye når den beveger seg bort fra det sorte hullet.
"På et tidspunkt under en gammastråling, roterte polarisasjonen omtrent 180 grader etter hvert som lysets intensitet endret seg," sa Hayashida. "Dette antyder at hele jeturen krummer seg."
Denne nye forståelsen av den indre virkningen og konstruksjonen av en blazar jet krever en ny arbeidsmodell av jetens struktur, en der jetjet kurver dramatisk og det mest energiske lyset stammer langt fra det sorte hullet. Dette, sa Madejski, er hvor teoretikere kommer inn. ”Studien vår utgjør en veldig viktig utfordring for teoretikerne: hvordan ville du konstruert en jet som potensielt kan føre energi så langt fra det svarte hullet? Og hvordan kunne vi da oppdage det? Det er ikke enkelt å ta hensyn til magnetfeltlinjene. Beslektede beregninger er vanskelige å gjøre analytisk, og må løses med ekstremt komplekse numeriske ordninger. ”
Teoretiker Jonathan McKinney, Stanstein University Einstein Fellow og ekspert på dannelse av magnetiserte jetfly, er enig i at resultatene stiller like mange spørsmål som de svarer. "Det har vært en lang tid kontrovers om disse jetflyene - om akkurat hvor gammastråleutslippet kommer fra. Dette arbeidet begrenser de typer jetmodeller som er mulige, ”sa McKinney, som ikke er tilknyttet den nylige studien. "Fra en teoretikers synspunkt er jeg spent fordi det betyr at vi må revurdere modellene våre."
Mens teoretikere vurderer hvordan de nye observasjonene passer til modeller av hvordan jetfly fungerer, vil Hayashida, Madejski og andre medlemmer av forskerteamet fortsette å samle inn mer data. "Det er et klart behov for å gjøre slike observasjoner på tvers av alle typer lys for å forstå dette bedre," sa Madejski. “Det krever en enorm mengde koordinering for å gjennomføre denne typen studier, som inkluderte mer enn 250 forskere og data fra omtrent 20 teleskoper. Men det er verdt det."
Med denne og fremtidige studier med flere bølgelengder vil teoretikere få ny innsikt til å lage modeller for hvordan universets største akseleratorer fungerer. Darth Vader har blitt nektet all tilgang til disse forskningsresultatene.
Kilder: DOE / SLAC National Accelerator Laboratory Press Release, et papir i 18. februar 2010-utgaven av Nature.
