Onderzoekers van de Universiteit van St. Petersburg hebben gegevens geanalyseerd van optische telescopen die meer dan acht jaar beslaan en zijn erin geslaagd het mechanisme van polarisatievlakrotaties in blazars te verklaren.

Dmitry Blinov is co-auteur van het artikel en Senior Research Associate bij de afdeling Astrofysica, Universiteit van Sint-Petersburg. Hij merkt op dat onderzoekers al meer dan 50 jaar de optische polarisatie van actieve galactische kernen bestuderen. Enkele van de eerste academische papers over dit onderwerp werden in de jaren zestig gepubliceerd door Vladimir Hagen-Thorn, Hoogleraar bij de afdeling Astrofysica, Universiteit van Sint-Petersburg, en Viktor Dombrovskiy, Universitair hoofddocent bij de afdeling Astrofysica, Staatsuniversiteit van Leningrad.

In het universum, het belangrijkste materiaal is geconcentreerd in sterrenstelsels met honderden miljarden sterren; er zijn er ongeveer 200-400 van in de Melkweg. In het centrum van sterrenstelsels bevinden zich superzware zwarte gaten, waarvan de massa varieert van miljoenen tot miljarden van die van de zon. Rond zwarte gaten bevindt zich een groot aantal sterren, gas en stof, die, te dicht bij het zwarte gat zijn, erin "vallen". Echter, een zwart gat kan deze niet volledig opnemen en gooit een deel van de materie de intergalactische ruimte in in de vorm van extreem snelle plasmajets.

De beste objecten om dit fenomeen te bestuderen zijn blazars. Het zijn actieve galactische kernen met een zeer hoge helderheid, waarvan de plasmastroom (jet) onder een hoek van maximaal 15 graden naar de aarde is gericht. Dergelijke objecten zijn de belangrijkste bronnen van kosmische gammastraling, waarvan de aard en eigenschappen onderbelicht zijn. Aanvullend, blazars puzzelen astronomen door andere verschijnselen te produceren, inclusief de rotatie van het polarisatievlak.

Het polarisatievlak van een golf is het vlak waarin een vector (bijvoorbeeld de elektrische veldvector) oscilleert en verandert. In de afgebeelde figuur, de oscillaties van de elektrische vector zijn in blauw; het polarisatievlak is rood.

Het licht dat we in de natuur zien, als een regel, bestaat uit veel van dergelijke golven die in verschillende richtingen zijn gericht. In dit geval, de oriëntatie van polarisatie is willekeurig (in de afbeelding hieronder in de afbeelding aan de linkerkant). Volledig gepolariseerd licht (in de figuur rechts) plant zich met de oscillaties van de elektrische vector slechts in één vlak voort. Een dergelijk fenomeen kan in sommige lasers worden waargenomen. Echter, fysieke processen creëren voornamelijk gedeeltelijk gepolariseerd licht, terwijl elektromagnetische golven in een lichtstraal vaak langs een van de richtingen oscilleren. Bijvoorbeeld, de figuur in het midden toont elektromagnetische golven in een bundel gedeeltelijk gepolariseerd licht gericht op de lezer. Het is dit soort licht dat wetenschappers waarnemen bij het bestuderen van blazars. Voor dit doeleinde, ze bestuderen actieve galactische kernen door een telescoop met een speciaal polarisatiefilter, vergelijkbaar met zonnebrillen, die trillingen slechts in één vlak uitzendt.

Decennia van waarnemingen hebben uitgewezen dat het polarisatievlak van zichtbaar licht in blazars soms roteert. Wetenschappers hebben verschillende hypothesen naar voren gebracht die het mechanisme van dergelijke rotaties zouden kunnen beschrijven, maar geen van hen had voldoende bewijs. De onderzoeksgroep van het Laboratory of Observational Astrophysics van de St. Petersburg University vestigde de aandacht op een van de theoretische modellen. Het werd al in 2010 voorgesteld in een academische paper. Aan dat onderzoek deden ook onderzoekers van de St. Petersburg University mee. Het beschouwde een rotatie van het polarisatievlak en voorspelde dat dergelijke rotaties zouden samenvallen met herhaalde gammaflitsen.

De onderzoeksgroep van St. Petersburg University testte deze hypothese in samenwerking met wetenschappers van het Boston University Institute for Astrophysical Research, het Max Planck Instituut voor Radioastronomie; en andere onderzoeksinstellingen. Ze analyseerden openbaar beschikbare gegevens van:de Fermi Gamma-ray Space Telescope, die een van de meest actieve blazars 3C 279 had waargenomen; het St. Petersburg University Observatory; het Krim-astrofysisch observatorium; de Perkins-telescoop; en anderen.

"We hebben de resultaten van talrijke waarnemingen van de polarisatie van optische emissie van blazar 3C 279 vergeleken met open gegevens van de Fermi Gamma-ray Space Telescope. Deze scant sinds 2008 regelmatig de hele hemel en toont de distributie van gammastraling. zijn erin geslaagd een patroon van uitbarstingen te vinden in deze blazar, die zich minstens drie keer heeft herhaald samen met de rotaties van de optische polarisatie. Dit bevestigt het eerder voorgestelde model dat rotaties van polarisatie verklaart, " zegt Dmitri Blinov.

Aanvullend, op basis van de verkregen gegevens, de onderzoekers zijn erin geslaagd om de structuur van het binnenste deel van de jets te beschrijven. Het blijkt dat de snelle wervelkolom, het midden van de jet, is omgeven door een langzamer omhulsel, die bestaat uit ringcondensaties. Wanneer een plasmoïde met hoge snelheid langs de ruggengraat van de jet beweegt, het verstrooit laagenergetische fotonen van de mantel naar energieën van de gammastralingsband. Dit veroorzaakt de uitbarstingen die de wetenschappers hebben waargenomen. Omdat de ringvormige structuren van de schede in de loop der jaren stabiel zijn gebleven, dergelijke uitbarstingen hebben zich verschillende keren herhaald.

De onderzoeksresultaten zijn de basis geworden voor 3D-animatie, wat een idee geeft van de processen die plaatsvinden in de binnenste delen van actieve galactische kernen. Volgens Dmitri Blinov, in de toekomst, vergelijkbare patronen van uitbarstingen in de gammaband kunnen andere problemen helpen verduidelijken. Bijvoorbeeld, volgens een van de hypothesen, het zijn jets met snelle stekels en een langzame omhulling die fundamentele kosmische deeltjes kunnen produceren - neutrino's. Herhalende patronen van uitbarstingen kunnen wijzen op blazars die kosmische neutrino's uitzenden.