Kuasarlar Evrendeki En Parlak Işığı Nasıl Üretiyor?

Kuasarlar tarafından trilyonlarca elektron voltluk enerji açığa çıkıyor. Galaksideki tüm yıldızlar tek bir kuasar kadar ışık üretemez.
quasar karadelik
Merkezinde süper kütleli bir kara delik bulunan kuasar J0313-1806. Görsel: NOIRLab

Kuasarlar kozmik deniz fenerleridir ve gökbilimciler milyarlarca ışık yılı boyunca tespit edilebilen güçlü radyasyonlarını nasıl ürettiklerini bulmuşlardır. Bu araştırmalara göre, bu kara delikler tarafından tahrik edilen ve daha sonra bir şok dalgasıyla karşılaşan ve hızla yavaşlayan parçacıklar, bu radyasyonun en yoğun kısmını oluşturuyor.

Ortaya çıkan sinkrotron radyasyonu en çok X Işını spektrumunda göze çarpıyor. Nature dergisinde yayınlanan bulgularına göre araştırmacılar, daha uzun dalga boylu radyasyon bileşenlerinin sürecin çok sonralarına kadar ortaya çıkmadığını gösterdiler.

Kuasarlar evrendeki diğer her şeyden daha parlaktır. Aktif galaktik çekirdekler, çevrelerindeki uzayı milyarlarca ışık yılı boyunca aydınlatabilecek ve yüz trilyonlarca güneşin parlaklığına rakip olabilecek güçlü radyasyon konileri yayarlar. Bu uzak galaksilerin kalbindeki süper kütleli kara delik, büyük miktarlarda maddeyi yutarak ve daha sonra bu enerjiyi hızlandırılmış parçacıklar ve radyasyon şeklinde serbest bırakarak ürettiği bu muazzam ışıma gücünün kaynağıdır. Blazarlar, radyasyon ve parçacık jetleri gezegenimize yönelen kuasarların bir diğer adıdır.

Yavaşladıklarında veya Yönlendirildiklerinde Ekstra Enerji

Ancak, yakın zamana kadar kuasarların radyasyonlarını tam olarak nasıl ürettikleri belirsizliğini korumaktaydı. Hem gözlemlerde hem de simülasyonlarda, enerjik emisyonların kaynağı olarak yüksek oranda hızlandırılmış parçacıkların büyük jetleri gösterilmiştir. Bu parçacıkların, parçacık hızlandırıcılarda veya X Işını lazerli sinkrotron tesislerinde parçacıkların hızlandırıldığı gibi, yavaşlatıldıklarında veya yönlendirildiklerinde ekstra enerji yaymaları mümkündür.

Kuasarların jetindeki hızlı parçacıkların bir şok dalgasında bir kerede mi yoksa türbülans içinde jet boyunca daha kademeli olarak mı yavaşladığı henüz bilinmemektedir. Radyasyonun kutuplaşması bunları birbirinden ayırmanın bir yoludur; eğer kuasarın radyasyonu çok yönlüyse, o zaman kaynak jet boyunca oldukça konsantre ve tekdüze olmalıdır.

Ancak yakın zamana kadar kuasar radyasyonunun polarizasyonu sadece radyo ve optik dalga boyu aralıklarında tespit edilebiliyordu ve bu ölçümler nispeten dağınık, çalkantılı kaynak bölgelerini ortaya çıkarıyordu. Yüksek enerjili X Işınları için buna benzer veri sıkıntısı vardı.

Blazarlar

Ancak Aralık 2021'de yörüngeye yerleştirilen yeni bir uzay teleskobu, kozmik X Işınlarının polarizasyonunu belirlemeyi ilk kez mümkün kıldı. Bu uzay aracı sayesinde, Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE), kuasarların emisyon bölgesinin daha önce mümkün olandan daha ayrıntılı bir görünümünü sunuyor.

Araştırmacılar, IXPE uzay aracı tarafından toplanan verileri kullanarak Markarian 501 blazarından gelen radyasyonu analiz ettiler. "Sadece" 450 milyon ışık yılı uzaklıkta olduğu için, bu aktif galaktik çekirdekten gelen radyasyon alışılmadık derecede güçlüdür ve kolayca ölçülebilmektedir. O yılın Mart ayında bir X Işını polarimetresi kullanılarak görülen ilk blazar oldu. Eş zamanlı olarak, çok sayıda ek gözlemevi bu kuasarın ışığını diğer dalga boylarında kaydetmeyi başardı.

Kara Deliğin Manyetik Alanları Tarafından Tahrik Edilen Parçacıklar

Mart 2022 gözlemi sırasında Markarian 501'in IXPE görüntüsü. Kesikli siyah çizgi jet yönünü gösterir.
Mart 2022 gözlemi sırasında Markarian 501'in IXPE görüntüsü. Kesikli siyah çizgi jet yönünü gösterir. Görsel: Nature.

Testlerin sonuçlarına göre, kuasardan gelen radyasyon düşük enerjilerde zayıf ve eşit olmayan bir şekilde kutuplaşmıştır. Buna karşılık polarimetre, yüksek enerjili X ışını bandında, kuasar jetinin yönüyle tutarlı bir açıda %10'dan fazla polarizasyon tespit etti.

Bu X ışını emisyonunun kaynağı bu verilerin kullanılmasıyla daha iyi anlaşılabilir. Bilim insanlarına göre bu, parçacık hızlanmasının nedeni olarak bir şok dalgasını savunuyor. Kara deliğin manyetik alanları tarafından yönlendirilen parçacıklar, jetteki daha yavaş parçacıklardan oluşan bir bölgeye çarparak bu yüksek enerjili radyasyonu serbest bırakıyor. Aniden hızlarını kaybederler ve X ışınları bu şok dalgası içinde boşalır.

Kuasar jetinin şok dalgasından geçtikten sonra, parçacıklar daha düşük bir hızda da olsa yarışmaya devam ederler. Bu nedenle, bu bölgeden uzaklaştıkça, artık daha uzun ve daha uzun dalga boylarında radyasyon yayıyorlar. Bilim insanları, bu düşük enerjili radyasyonun kutuplaşmasının tekdüze olmamasından jetin bu bölgede daha türbülanslı hale geldiği sonucunu çıkarıyor.

İleriye Doğru Büyük Adım

Böylece gökbilimciler ilk kez galaksideki en güçlü radyasyon kaynaklarını neyin harekete geçirdiğini öğrenmiş oldular. Bulgular, çoklu dalga boyu polarimetrisinin süper kütleli kara deliklerin yakınındaki fiziksel ortamı araştırmak için yeni bir yöntem sağladığını kanıtlıyor. IXPE ve diğer cihazların gelecekteki ölçüm verileri bu süreçlerin iç işleyişine ışık tutabilir.

Bu güçlü parçacık hızlandırıcılarını anlamak söz konusu olduğunda, birçok gökbilimci ve fizikçi bu bulguları blazarlar hakkındaki bilgilerimizde büyük bir ilerleme olarak değerlendiriyor. X ışını polarimetrisi ile bilim insanları bu süreçlerin tüm kuasarlar için evrensel olup olmadığını ve ışın oluşumu sırasında elektron ve protonların jette nasıl bir rol oynadığını öğrenebilirler.