På en måde, der ligner dannelsen af en alliance for at besejre Darth Vader's Death Star, dannede astronomer for mere end et årti Whole Earth Blazar Telescope-konsortiet for at forstå Nature's Death Ray Gun (alias og i modsætning til dens dødsdåbende klingende navn, GASP har vist sig afgørende for at afsløre hemmelighederne for, hvordan naturens “LHC” fungerer.
”Som universets største acceleratorer, er blazar-jetfly vigtige at forstå,” sagde Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC) Research Fellow Masaaki Hayashida, tilsvarende forfatter i det nylige papir, der præsenterede de nye resultater med KIPAC Astrophysicist Greg Madejski. ”Men hvordan de produceres og hvordan de er struktureret forstås ikke godt. Vi ser stadig på at forstå det grundlæggende. ”
Blazars dominerer gamma-ray himlen, diskrete pletter på universets mørke baggrund. Når nærliggende stof falder ned i det supermassive sorte hul i midten af en blazar, der "fodrer" det sorte hul, sprøjter det noget af denne energi tilbage ud i universet som en stråle af partikler.
Forskere havde tidligere teoretiseret, at sådanne stråler holdes sammen af stærke magnetfelttråd, mens jetstrålens lys er skabt af partikler, der spiraler rundt omkring disse tynde magnetfelt "linjer".
Alligevel er detaljerne indtil nu blevet relativt dårligt forstået. Den nylige undersøgelse forstyrrer den fremherskende forståelse af jetens struktur og afslører ny indsigt i disse mystiske, dog mægtige dyr.
”Dette arbejde er et vigtigt skridt hen imod forståelse af fysikken i disse jetfly,” sagde KIPAC-direktør Roger Blandford. ”Det er denne type observationer, der vil gøre det muligt for os at finde ud af deres anatomi.”
I løbet af et helt år med observationer fokuserede forskerne på en bestemt blazar jet, 3C279, der ligger i stjernebilledet Jomfruen, og overvåger den i mange forskellige bølgebånd: gammastråle, røntgen, optisk, infrarød og radio. Blazars flimrer kontinuerligt, og forskere forventede kontinuerlige ændringer i alle bølgebånd. Midtvejs gennem året observerede forskerne imidlertid en spektakulær ændring i jetens optiske og gammastråleemission: En 20-dages lang blussning i gammastråler blev ledsaget af en dramatisk ændring i jetens optiske lys.
Selvom det meste optiske lys er upolariseret - bestående af lys med en ensartet blanding af alle polarisationer, kan den ekstreme bøjning af energiske partikler omkring en magnetfeltlinie polarisere lys. I løbet af den 20-dages gamma-stråling ændrede det optiske lys fra strålen sin polarisering. Denne tidsmæssige forbindelse mellem ændringer i gammastråle-lys og ændringer i den optiske polarisering antyder, at der oprettes lys i begge bølgebånd i den samme del af strålen; i løbet af disse 20 dage ændrede der sig noget i det lokale miljø, så både det optiske lys og gammastrålen varierede.
”Vi har en ret god idé om, hvor i jet-optisk lys oprettes; nu hvor vi ved, at gammastråler og optisk lys oprettes på samme sted, kan vi for første gang bestemme, hvor gammastrålerne kommer fra, ”sagde Hayashida.
Denne viden har vidtrækkende konsekvenser for, hvordan et supermassivt sort hul producerer polære jetfly. Det store flertal af energien frigivet i en jet slipper ud i form af gammastråler, og forskere troede tidligere, at al denne energi skal frigives i nærheden af det sorte hul, tæt på hvor sagen, der flyder ind i det sorte hul, opgiver sin energi i første plads. Alligevel antyder de nye resultater, at - ligesom optisk lys - udsendes gammastrålerne relativt langt fra det sorte hul. Dette, sagde Hayashida og Madejski, på sin side antyder, at magnetfeltlinjerne på en eller anden måde skal hjælpe energien med at rejse langt fra det sorte hul, før det frigives i form af gammastråler.
”Hvad vi fandt var meget anderledes end hvad vi forventede,” sagde Madejski. ”Dataene antyder, at gammastråler ikke produceres en eller to lysdage fra det sorte hul [som forventet], men nærmere et lysår. Det er overraskende. ”
Ud over at afsløre, hvor jet-lyset er produceret, afslører den gradvise ændring af det optiske lyss polarisering også noget uventet ved jetens overordnede form: jetjet ser ud til at krumme, når det bevæger sig væk fra det sorte hul.
”På et tidspunkt under en gammastråling, roterede polarisationen ca. 180 grader, efterhånden som lysets intensitet ændrede sig,” sagde Hayashida. ”Dette antyder, at hele jeturen krummer.”
Denne nye forståelse af den indre bearbejdning og konstruktion af en blazar jet kræver en ny arbejdsmodel af jetens struktur, hvor jetjet krummer sig dramatisk, og det mest energiske lys stammer langt fra det sorte hul. Dette, sagde Madejski, er hvor teoretikere kommer ind. ”Vores undersøgelse udgør en meget vigtig udfordring for teoretikere: hvordan ville du konstruere en jet, der potentielt kan transportere energi så langt fra det sorte hul? Og hvordan kunne vi så opdage det? Det er ikke enkelt at tage magnetfeltlinjerne i betragtning. Relaterede beregninger er vanskelige at foretage analytisk og skal løses med ekstremt komplekse numeriske skemaer. ”
Teoretiker Jonathan McKinney, Stanstein University Einstein Fellow og ekspert på dannelse af magnetiserede jetfly, er enig i, at resultaterne stiller så mange spørgsmål, som de svarer. ”Der har været lang tid kontroverser om disse jetfly - om præcis, hvor gammastråleemissionen kommer fra. Dette arbejde begrænser de typer jetmodeller, der er mulige, ”sagde McKinney, der ikke er tilknyttet den nylige undersøgelse. ”Set fra en teoretikers synspunkt er jeg begejstret, fordi det betyder, at vi er nødt til at genoverveje vores modeller.”
Mens teoretikere overvejer, hvordan de nye observationer passer til modeller af, hvordan jetfly fungerer, vil Hayashida, Madejski og andre medlemmer af forskerteamet fortsætte med at indsamle flere data. ”Der er et klart behov for at gennemføre sådanne observationer på tværs af alle typer lys for at forstå dette bedre,” sagde Madejski. ”Det kræver en enorm mængde koordination for at gennemføre denne type undersøgelse, der omfattede mere end 250 videnskabsmænd og data fra omkring 20 teleskoper. Men det er det værd. ”
Med denne og fremtidige multi-bølgelængdeundersøgelser vil teoretikere få en ny indsigt til at skabe modeller af, hvordan universets største acceleratorer fungerer. Darth Vader er blevet nægtet al adgang til disse forskningsresultater.
Kilder: DOE / SLAC National Accelerator Laboratory Pressemeddelelse, et papir i 18. februar 2010-udgaven af Nature.
