Op een manier die enigszins lijkt op de vorming van een alliantie om Darth Vader's Death Star te verslaan, vormden astronomen meer dan een decennium geleden het Whole Earth Blazar Telescope-consortium om Nature's Death Ray Gun (ook bekend als en in tegenstelling tot de bij de dood klinkende naam, te begrijpen), de GASP is cruciaal gebleken voor het ontrafelen van de geheimen van hoe Nature's "LHC" werkt.
"Als grootste versnellers van het universum zijn blazar-jets belangrijk om te begrijpen," zei Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC) Research Fellow Masaaki Hayashida, corresponderend auteur van de recente paper die de nieuwe resultaten presenteert met KIPAC Astrophysicist Greg Madejski. “Maar hoe ze worden geproduceerd en hoe ze zijn gestructureerd, wordt niet goed begrepen. We willen nog steeds de basis begrijpen. "
Blazars domineren de gammastraalhemel, discrete vlekken op de donkere achtergrond van het universum. Als nabijgelegen materie in het superzware zwarte gat in het midden van een blazar valt en het zwarte gat 'voedt', spuit het een deel van deze energie terug in het universum als een straal deeltjes.
Onderzoekers hadden eerder gedacht dat dergelijke jets bij elkaar worden gehouden door sterke magnetische veldranken, terwijl het licht van de straal wordt gecreëerd door deeltjes die rond deze piekerige dunne veldlijnen "spiralen".
Maar tot nu toe zijn de details relatief slecht begrepen. De recente studie verstoort het heersende begrip van de structuur van de jet en onthult nieuw inzicht in deze mysterieuze maar machtige beesten.
"Dit werk is een belangrijke stap in het begrijpen van de fysica van deze jets", zegt KIPAC-directeur Roger Blandford. "Het is dit soort observatie dat het ons mogelijk zal maken om hun anatomie te achterhalen."
Gedurende een volledig jaar van observaties concentreerden de onderzoekers zich op een bepaalde blazar-jet, 3C279, gelegen in het sterrenbeeld Maagd, en volgden deze in veel verschillende golfgebieden: gammastraling, röntgenstraling, optisch, infrarood en radio. Blazars flikkert continu en onderzoekers verwachtten voortdurende veranderingen in alle golfgebieden. Halverwege het jaar zagen onderzoekers echter een spectaculaire verandering in de optische en gammastraling-emissie van de jet: een 20-daagse flare van gammastraling ging gepaard met een dramatische verandering in het optische licht van de jet.
Hoewel het meeste optische licht ongepolariseerd is - bestaande uit licht met een gelijke mix van alle polarisaties - kan de extreme buiging van energetische deeltjes rond een magnetische veldlijn licht polariseren. Tijdens de 20-daagse gammastraalflare veranderde het optische licht van de jet van polarisatie. Dit tijdelijke verband tussen veranderingen in het gammastraallicht en veranderingen in de optische polarisatie suggereert dat licht in beide golfbanden in hetzelfde deel van de straal wordt gecreëerd; gedurende die 20 dagen veranderde er iets in de lokale omgeving waardoor zowel het optische als het gammastraallicht veranderde.
“We hebben een redelijk goed idee van waar in de straal optisch licht wordt gecreëerd; nu we weten dat de gammastraling en het optische licht op dezelfde plaats worden gecreëerd, kunnen we voor het eerst bepalen waar de gammastraling vandaan komt, ”aldus Hayashida.
Deze kennis heeft verstrekkende gevolgen over hoe een superzwaar zwart gat polaire stralen produceert. Het overgrote deel van de energie die vrijkomt in een straal ontsnapt in de vorm van gammastraling, en onderzoekers dachten eerder dat al deze energie moet worden vrijgegeven in de buurt van het zwarte gat, dicht bij de plek waar de materie die in het zwarte gat stroomt, zijn energie opgeeft in de eerste plaats. Toch suggereren de nieuwe resultaten dat - net als optisch licht - de gammastralen relatief ver van het zwarte gat worden uitgezonden. Dit, aldus Hayashida en Madejski, suggereert op zijn beurt dat de magnetische veldlijnen op de een of andere manier de energie moeten helpen ver van het zwarte gat te reizen voordat het wordt vrijgegeven in de vorm van gammastraling.
'Wat we ontdekten was heel anders dan we hadden verwacht', zei Madejski. “De gegevens suggereren dat gammastralen niet één of twee lichtdagen worden geproduceerd vanuit het zwarte gat [zoals verwacht] maar dichter bij één lichtjaar. Dat is verrassend. "
De geleidelijke verandering van de polarisatie van het optische licht onthult niet alleen waar het straallicht wordt geproduceerd, maar onthult ook iets onverwachts over de algehele vorm van de straal: de straal lijkt te buigen terwijl hij van het zwarte gat weg beweegt.
"Op een gegeven moment tijdens een gammaflits, draaide de polarisatie ongeveer 180 graden terwijl de intensiteit van het licht veranderde", zei Hayashida. 'Dit suggereert dat de hele straal kromt.'
Dit nieuwe begrip van de innerlijke werking en constructie van een blazar-jet vereist een nieuw werkmodel van de structuur van de jet, een waarbij de jet dramatisch buigt en het meest energetische licht ver van het zwarte gat afkomstig is. Dit is volgens Madejski de plek waar theoretici binnenkomen. 'Onze studie vormt een zeer belangrijke uitdaging voor theoretici: hoe zou je een straal bouwen die mogelijk zo ver van het zwarte gat energie kan vervoeren? En hoe kunnen we dat dan detecteren? Rekening houden met de magnetische veldlijnen is niet eenvoudig. Gerelateerde berekeningen zijn moeilijk analytisch uit te voeren en moeten worden opgelost met uiterst complexe numerieke schema's. ”
Theoreticus Jonathan McKinney, een Einstein Fellow aan de Stanford University en expert op het gebied van de vorming van magnetische jets, is het ermee eens dat de resultaten evenveel vragen opleveren als ze beantwoorden. "Er is al lang controverse over deze jets - over precies waar de gammastraling vandaan komt. Dit werk beperkt de soorten straalmodellen die mogelijk zijn ', zegt McKinney, die geen verband houdt met de recente studie. "Vanuit het oogpunt van een theoreticus ben ik enthousiast omdat het betekent dat we onze modellen moeten heroverwegen."
Terwijl theoretici nadenken over hoe de nieuwe waarnemingen passen in modellen van hoe jets werken, zullen Hayashida, Madejski en andere leden van het onderzoeksteam doorgaan met het verzamelen van meer gegevens. "Het is duidelijk dat dergelijke observaties bij alle soorten licht moeten worden uitgevoerd om dit beter te begrijpen", zei Madejski. “Er is enorm veel coördinatie voor nodig om dit type onderzoek uit te voeren, waaronder meer dan 250 wetenschappers en gegevens van ongeveer 20 telescopen. Maar het is het waard."
Met deze en toekomstige multigolflengtestudies krijgen theoretici nieuwe inzichten om modellen te maken van hoe de grootste versnellers van het universum werken. Darth Vader is alle toegang tot deze onderzoeksresultaten ontzegd.
Bronnen: DOE / SLAC National Accelerator Laboratory Press Release, een paper in het nummer van 18 februari 2010 van Nature.
