Galaxie, gravitačně vázané systémy hvězd a dalších kosmických objektů, jsou velmi často zkoumány předními astrofyziky i špičkovými kosmickými observatořemi. Odborníky, kteří se zabývají fyzikou vysokých energií, zajímají především galaktická jádra, konkrétně tzv. aktivní galaktická jádra. Jejich zástupců se v kosmu vyskytuje velké množství a také jednotlivých typů aktivních galaktických jader rozlišujeme celou řadu. Ostatně, na našem webu jsme už v jednom z delších článků hovořili o kvasarech. Dnes se ale podíváme podrobněji na blazary, zvláště pak na jeden zkoumaný sondou IXPE.

Aktivní galaktická jádra

Carl K. Seyfert
Zdroj: https://cdn.vanderbilt.edu/

Mimořádně jasná jádra některých galaxií byla pozorována v podstatě již od počátku 20. století. Prvními astronomy, kteří tento fenomén pozorovali byli Edward Fath a Heber Curtis. Později se přidali třeba také Nicholas Mayall, Vesto Slipher nebo Milton Humason. Prvním, kdo se jasným jádrům galaxií věnoval podrobně byl ale až Carl Seyfert ve 40. letech. Na jeho počest nese jeden z druhů aktivních galaxií název Seyfertovy galaxie.

Velký přínos pro tuto oblast výzkumu znamenal masivní rozvoj radioastronomie v 50. letech minulého století. V té době došlo k pozorování velkého množství aktivních galaktických jader, objevu kvasarů a řadě dalších důležitých objevů. Jedním z klíčových vědců této éry byl sovětský astrofyzik původem z Arménie Viktor Ambarcumjan. V 50. letech nebylo jasné, jak mohou být jádra aktivních galaxií tak jasná. Ambarcumjan ale navrhl, že se v jádrech těchto galaxií odehrávají obrovské výbuchy, které vypuzují do prostoru značné množství hmoty. Aby tento mechanismus fungoval, muselo by být v jádru takové galaxie těleso o obrovské hmotnosti, jehož původ tehdy nedokázal nikdo vysvětlit.

Viktor A. Ambarcumjan
Zdroj: https://phys-astro.sonoma.edu/

Proto zpočátku fyzikové nepřijímali Ambarcumjanovu myšlenku příliš dobře. V 60. letech ale Marteen Schmidt podal první důkaz, že kvasary mají značný rudý posuv a leží tedy velmi daleko od Země. Také toto tvrzení zpočátku nepřijali všichni dobře, poměrně brzy se ale ukázalo, že měl Schmidt pravdu. To, co aktivní galaktická jádra pohání ovšem Schmidt neodhalil. Přesto už o několik měsíců později přišli fyzikové s víceméně správným řešením.

Stáli za ním Edwin Salpeter a Jakov Zeldovič. Ti využili tehdy vcelku nového a spekulativního fenoménu, jímž byly černé díry. Předpokládali, že se kolem velmi hmotných černých děr v jádrech galaxií vytvoří tzv. akreční disk. Jedná se o plochý disk tvořený plynem, prachem i dalším materiálem, který obíhá kolem černé díry. V tomto akrečním disku se mohou odehrávat různé zajímavé fyzikální procesy, jež mají potenciál uvolnit značné množství energie, čímž by mohly aktivní jádro pohánět.

První známá černá díra Cygnus X-1. Vlevo ve viditelném světle, vpravo pohled zblízka v představě umělce.
Zdroj: https://www.nasa.gov/

V té době se ovšem ještě nevědělo, zda černé díry opravdu existují. Odborníci již znali kandidátský objekt Cygnus X-1, ale na potvrzení, že jde skutečně o černou díru jsme si museli počkat až do poloviny 70. let. Poté se ale s objevy černých děr roztrhl pytel a dnes již víme, že v jádru naprosté většiny galaxií se skutečně nachází supermasivní černé díry, které skutečně zodpovídají za fungování aktivních galaktických jader.

Druhy aktivních galaktických jader

Jedna z nejznámějších a nejdříve objevených Seyfertových galaxií – M77.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Jak už jsme uvedli výše, neprojevují se všechny aktivní galaktická jádra stejně, ale rozlišujeme celou řadu typů těchto objektů. Obvykle se používá klasifikace, která rozlišuje aktivní galaktická jádra na dvě velké podskupiny a to podle toho, jestli u nich pozorujeme emise rádiového záření. Hovoříme proto o rádiově tichých a rádiově hlasitých galaxiích.

Mezi rádiově tiché aktivní galaxie patří třeba právě výše zmíněné Seyfertovy galaxie, jakožto vůbec první identifikovaná třída těchto objektů. Obvykle jde o spirální či nepravidelné galaxie. Také některé kvasary se řadí do této kategorie. V tomto případě může jít o galaxie všech typů. Mezi rádiově tiché patří také několik dalších typů aktivních galaktických jader, ale o tom více třeba někdy příště.

Jeden z objektů BL Lacertae. Zde konkrétně H 0323+022 na snímku Evropské jižní observatoře.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Rádiově hlasité jsou potom logicky rádiově hlasité kvasary, ale i celá řada dalších aktivních galaxií. Hovoříme třeba o rádiových galaxiích, což je velmi zajímavý typ, který téměř vždy tvoří eliptické galaxie. Dále sem patří zvláštní typy kvasarů OVV a objekty typu BL Lacertae. Především sem ale řadíme tzv. blazary. Jde o aktivní galaktická jádra u nichž pozorujeme velmi jasný, masivní a dlouhý relativistický výtrysk, který směřuje přímo k nám nebo ve směru blízkém k Zemi.

Typickým příkladem blazarů je třeba slavná M87 v kupě galaxií v Panně, u níž poprvé dokázali vědci vyfotografovat okolí supermasivní děrné díry. Dalším zástupcem je pak třeba Markarian 421. Ten leží asi 397 milionů světelných let od nás ve směru souhvězdí Velké medvědice. To z něj činí jeden z nejbližších blazarů a proto také jeden z nejjasnějších, jeho zdánlivá magnituda dosahuje hodnoty 12,9, k jeho pozorování proto postačí i menší astronomický dalekohled. Právě tímto objektem se budeme ve zbývající části textu zabývat.

IXPE

IXPE při pozemních testech.
Zdroj: https://static01.nyt.com/

Právě Markarian 421 totiž nedávno pozorovala americká observatoř IXPE, celým jménem Imaging X-ray Polarimetry Exporer. Ta byla připravena v rámci programu Explorer, proto se lze výjimečně setkat i s označením Explorer 97. Na projektu se podílela také italská kosmická agentura ASI. Do kosmického prostoru vynesl observatoř v prosinci 2021 Falcon 9 startující z Kennedyho vesmírného střediska na Floridě.

Observatoř je vybavena třemi dalekohledy. Její průměr je 1,1 metru, délka 5,2 metru a rozpětí solární panelů 2,7 metru. Startovní hmotnost činila 330 kilogramů, z toho užitečná hmotnost 170 kilogramů. Falcon 9 umístil IXPE na cílovou oběžnou dráhu, která je téměř dokonale kruhová. Apogeum i perigeum má ve výšce 540 kilometrů, sklon vůči rovníku je jen 0,2 stupně. Jeden oběh trvá observatoři 90 minut. Podle původních předpokladů má IXPE sloužit 2 roky, zatím pracuje rok a sedm měsíců.

Detailní záběr na část galaxie M87. Vlevo je vidět jádro, v němž je ukrytá supermasivní černá díra M87*, z jádra až k pravému spodnímu rohu obrázku se táhne zřetelný výtrysk (dlouhý přes 5 000 světelných let), který pohání právě centrální černá díra.
Zdroj: https://astroengine.files.wordpress.com/

Jedním z hlavních úkolů IXPE je prozkoumat nesmírně zajímavé relativistické výtrysky. Konkrétně vědce zajímá jejich vznik, ale také to jakou mají energii, chtějí zjistit složení částic, které se v nich vyskytují a pochopit, proč se materiál v těchto výtryscích pohybuje tak rychle. Proto se jim ostatně říká výtrysky relativistické, částice v nich totiž mnohdy dosahují rychlostí blízkých rychlosti světla, tedy se pohybují relativistickými rychlostmi.

Polarizace – stručný úvod

IXPE přitom dokáže měřit polarizaci elektromagnetického, v tomto případě přesněji, rentgenového záření. Polarizace je zvláštní vlastnost elektromagnetických (ale třeba i gravitačních vln). Velmi zjednodušeně řečeno jde o to, že elektromagnetické vlny mají dva módy polarizace, tzv. E a B mód, kde E mód je vektor intenzity elektrického pole a B je vektor indukce magnetického pole. Oba vektory svírají vzájemně úhel 90 stupňů a jejich rovina je kolmá na směr šíření vlnění.

Základní schéma polarizace.
Zdroj: https://bioptronlampa.eu/

Běžné elektromagnetické vlnění je nepolarizované, v takovém případě mají vektory E (nebo B) v každém bodě roviny protínající svazek světla zcela náhodný směr. U polarizovaného světla je tomu naopak. Zde mají vektory E (nebo B) stejný směr. S polarizovaným světlem se můžeme běžně setkat i v normálním životě. Polarizační filtry mívají třeba fotoaparáty nebo sluneční brýle. Na rozdíl od některých jiných živočichů (včely, holubi, chobotnice, sépie…) ale nejsou lidé schopni zrakem rozlišit polarizované světlo od nepolarizovaného.

Relativistický výtrysk u Markarian 421

Markarian 421.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Polarizace byla jednou z věcí, které astronomové prostřednictvím observatoře IXPE pozorovali u aktivní galaxie Markarian 421. Ta nebyla vybrána náhodně, ale jak už zmiňuji výše, tato galaxie má poměrně bohatou historii pozorování. Pro astrofyziky zabývající se vysokými energiemi tak jde už o dobře známý objekt. IXPE pozoroval tento objekt v květnu a červnu 2022 a nyní se mezinárodní tým vědců dostal k tomu, aby zveřejnil podrobnou studii o svých zjištěních.

Relativistické výtrysky z jader aktivních galaxií mohou měřit na délku až miliony světelných let. Jeden velmi dlouhý a jasný je právě u objektu Markarian 421. Natolik zářivé jsou tyto výtrysky proto, že částice blížící se rychlosti světla vydávají obrovské množství energie. Navíc světlo letící směrem k nám se zdá být jasnější oproti skutečnosti. Jádro mateřské galaxie, blazar, tak může zastínit všechny ostatní hvězdy galaxie dohromady.

Numerická simulace relativistického výtrysku. Spirálovitá struktura magnetických silokřivek je zde dobře vidět.
Zdroj: https://physics.aps.org/

I přes roky intenzivního výzkumu zatím bohužel nechápeme správně všechny procesy, které tyto výtrysky pohánějí. Díky rentgenové polarimetrii sondy IXPE jsme ale zase o kus blíže. Díky této metodě umíme měřit průměrný směr elektrického pole rentgenového záření, což nám odkrývá původ silných emisí v rentgenové oblasti, jakož i geometrii výtrysku a to, jak jsou částice urychlovány.

Znázornění pozorování teleskopu IXPE.
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Teoretické modely relativistických výtrysků běžně operují se spirálovitou strukturou výtrysku podobnou šroubovici DNA. Toto uspořádání přitom není náhodné, ale odpovídá vinutí silokřivek magnetického pole. Právě ono dokáže nabité částice urychlovat na dosti vysoké energie. IXPE nám ale odhalila, že v této spirálovité struktuře se nachází také oblasti, kde dochází k šokovému urychlování částic. Ty tedy v těchto místech nejsou urychlovány postupně, ale velmi náhle a prudce.

IXPE navíc zjistila nečekanou variabilitu v polarizačních úhlech. Odborníci sice z dřívějších pozorování věděli, že se směr polarizace může měnit, současně ale očekávali, že nepůjde o velké odchylky. Potom ale pozorovali Markarian 421 a zjistili, že při prvním měření byla míra polarizace 15 %, avšak podruhé klesla na nulu. Potom ale pochopili, že polarizace byla v obou případech zhruba stejná, jen se výrazně změnil její směr. Během pouhých dvou dnů se otočil téměř o 180 stupňů.

Simulace detailního záběru na výtrysk i s naznačenou spirálovitou strukturou a oblastmi, kde dochází k prudkému urychlování částic.
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Doplňující měření v optické, infračervené a rádiové oblasti přitom neukazovala žádné výrazné odchylky ve struktuře nebo stabilitě relativistického výtrysku. Proto se zdá, že se zde ve skutečnosti šíří rázová vlna a to podél spirálovitých siločar magnetického pole uvnitř výtrysku. Představa rázové vlny pomáhající urychlovat částice výtrysku je přitom v souladu s předchozím měřením objektu Markarian 501, avšak v případě Markarian 421 jsou důkazy mnohem zřetelnější.

Jaká je tedy celková situace? Jádro galaxie Markarian 421 je pochopitelně, jako u každé slušné galaxie, tvořeno supermasivní černou dírou. Ta má kolem sebe plochý akreční disk plný materiálu, který kolem černé díry obíhá a postupně do ní padá. Fyzikální procesy v akrečním disku uvolňují značné množství energie, přičemž je to právě akreční disk, který pohání relativistické výtrysky vycházející z pólů černé díry. V těchto výtryscích se vine šroubovitá struktura silokřivek magnetického pole, jež urychluje nabité částice výtrysku. Rentgenové záření je generováno v čelech rázových vln, zatímco viditelné a rádiové záření pochází z více turbulentních oblastí dále od rázových vln.

Závěr

Pozorování Markarian 421 nám poskytlo řadu cenných informací, které pomáhají lépe pochopit původ a fyzikální vlastnosti relativistických výtrysků. Další výzkum je ale zcela jistě žádoucí. Zvláště pak od tak špičkové observatoře jako je právě IXPE. Odborníci již nyní plánují, že by IXPE měla probádat celou řadu dalších blazarů. Snad jí to technický stav a finanční podpora ze strany NASA dovolí a my se tak dočkáme dalších hodnotných výsledků.

Použité a doporučené zdroje

• IXPE NASA: https://www.nasa.gov/mission/imaging-x-ray-polarimetry-explorer-ixpe/
• IXPE ASI: https://www.asi.it/en/planets-stars-universe/alte-energie/ixpe/

Zdroje obrázků

• https://mk0spaceflightnoa02a.kinstacdn.com/wp-content/uploads/2020/07/ixpe_spcrft_16x9.jpg
• https://cdn.vanderbilt.edu/vu-sub/wp-content/uploads/sites/63/2023/05/19140933/paporseyc004-scaled.jpg
• https://phys-astro.sonoma.edu/sites/phys-astro/files/ambartsumian.jpeg
• https://www.nasa.gov/images/content/604631main_cygnusx1_665.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d9/Messier_77_spiral_galaxy_by_HST.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c3/H0323bl2.gif
• https://static01.nyt.com/images/2021/12/14/science/09sci-ixpe1/09sci-ixpe1-mediumSquareAt3X.jpg
• https://astroengine.files.wordpress.com/2009/08/m87.jpg?w=768
• https://bioptronlampa.eu/wp-content/uploads/2023/08/w600_87325_en.png
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1f/SDSS_Mrk_421.jpg
• https://physics.aps.org/assets/b6a4b1f9-2085-4b4d-ae64-be2e09aaaf85/e5_2.png
• https://www.nasa.gov/wp-content/uploads/2022/11/g-627151_blazar_jet_ixpe_labeled_1080px.jpg
• https://www.nasa.gov/wp-content/uploads/2023/07/ixpe_markarian_421.png