På ett sätt som liknar bildandet av en allians för att besegra Darth Vaders Death Star, bildade astronomer för mer än ett decennium sedan Whole Earth Blazar Telescope-konsortiet för att förstå naturens Death Ray Gun (alias och i motsats till dess dödsdörrs klingande namn, GASP har visat sig vara avgörande för att avslöja hemligheterna för hur naturens ”LHC” fungerar.
"Som universums största acceleratorer är blazarstrålar viktiga att förstå", säger Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC) Research Fellow Masaaki Hayashida, motsvarande författare i det senaste tidningen som presenterade de nya resultaten med KIPAC Astrophysicist Greg Madejski. ”Men hur de produceras och hur de är strukturerade är inte väl förstått. Vi ser fortfarande efter att förstå grunderna. "
Blazars dominerar gammastrålhimlen, diskreta fläckar på universums mörka bakgrund. När närliggande materia faller in i det supermassiva svarta hålet i mitten av en blazar, "matar" det svarta hålet, sprutar det en del av denna energi tillbaka ut i universum som en stråle av partiklar.
Forskare har tidigare teoretiserat att sådana jetflygningar hålls samman av starka magnetfälttrådar, medan strålens ljus skapas av partiklar som snurrar runt dessa tunna magnetfält "linjer".
Än så länge har detaljerna förstås relativt dåligt. Den senaste studien upprör den rådande förståelsen av jetens struktur, och avslöjar ny insikt i dessa mystiska men ändå mäktiga djur.
"Detta arbete är ett viktigt steg mot att förstå fysiken i dessa jetplan," sade KIPAC-direktör Roger Blandford. "Det är den här typen av observationer som kommer att göra det möjligt för oss att ta reda på deras anatomi."
Under ett helt år av observationer fokuserade forskarna på en viss blazar-jet, 3C279, belägen i konstellationen Virgo, och övervakade den i många olika vågband: gammastråle, röntgen, optisk, infraröd och radio. Blazars flimmer kontinuerligt, och forskare förväntade sig ständiga förändringar i alla vågband. Halvvägs genom året observerade dock forskare en spektakulär förändring i jetens optiska och gammastråleutsläpp: en 20-dagars lång bländning i gammastrålningar åtföljdes av en dramatisk förändring i jetens optiska ljus.
Även om det mest optiska ljuset är opolariserat - bestående av ljus med en jämn blandning av alla polarisationer - kan den extrema böjningen av energiska partiklar runt en magnetfältlinje polarisera ljus. Under den 20-dagars gammastrålningsljuset ändrade optiskt ljus från strålen sin polarisering. Denna temporära anslutning mellan förändringar i gammastrålningsljus och förändringar i den optiska polarisationen antyder att ljus i båda vågband skapas i samma del av strålen; under dessa 20 dagar förändrades något i den lokala miljön så att både det optiska ljuset och gammastrålningsljuset varierade.
”Vi har en ganska bra uppfattning om var i jet-optiskt ljus skapas; nu när vi vet att gammastrålar och optiskt ljus skapas på samma plats kan vi för första gången bestämma var gammastrålarna kommer från, ”sade Hayashida.
Denna kunskap har långtgående konsekvenser för hur ett supermassivt svart hål producerar polära strålar. Den stora majoriteten av energi som frigörs i en jet flyr ut i form av gammastrålar, och forskare trodde tidigare att all denna energi måste frigöras nära det svarta hålet, nära där materien som flyter in i det svarta hålet ger upp sin energi i första plats. Ändå antyder de nya resultaten att - liksom optiskt ljus - strålar gammas ut relativt långt från det svarta hålet. Detta, sade Hayashida och Madejski, föreslår i sin tur att magnetfältlinjerna på något sätt måste hjälpa energin att resa långt från det svarta hålet innan det släpps i form av gammastrålar.
"Vad vi hittade var mycket annorlunda än vad vi väntade oss," sade Madejski. ”Data tyder på att gammastrålar inte produceras en eller två ljusdagar från det svarta hålet [som väntades] utan närmare ett ljusår. Det är förvånande. "
Förutom att avslöja var i jetljuset produceras, avslöjar den gradvisa förändringen av det optiska ljusets polarisering också något oväntat med jetens övergripande form: strålen verkar krökas när den rör sig bort från det svarta hålet.
"Vid en tidpunkt under en gammastrålning, roterade polarisationen cirka 180 grader när ljusets intensitet förändrades," sade Hayashida. "Detta antyder att hela jetplanet böjer sig."
Denna nya förståelse av den inre funktionen och konstruktionen av en blazar jet kräver en ny arbetsmodell av jetens struktur, där en jet krökas dramatiskt och det mest energiska ljuset kommer långt från det svarta hålet. Det här, sa Madejski, är där teoretiker kommer in. ”Vår studie utgör en mycket viktig utmaning för teoretiker: hur skulle du konstruera en jet som potentiellt skulle kunna transportera energi så långt från det svarta hålet? Och hur kan vi då upptäcka det? Att ta hänsyn till magnetfältlinjerna är inte enkelt. Relaterade beräkningar är svåra att göra analytiskt och måste lösas med extremt komplexa numeriska scheman. ”
Teoretiker Jonathan McKinney, en Stanford University Einstein Fellow och expert på bildandet av magnetiserade jetplan, håller med om att resultaten ställer lika många frågor som de svarar. "Det har funnits en lång tid kontroverser om dessa jetflygningar - om exakt var gammastrålning kommer från. Detta arbete begränsar de typer av jetmodeller som är möjliga, säger McKinney, som inte är associerad med den senaste studien. "Ur en teoretiker är jag glada för det betyder att vi måste tänka om våra modeller."
När teoretikerna överväger hur de nya observationerna passar modeller av hur jetplan fungerar, kommer Hayashida, Madejski och andra medlemmar av forskargruppen att fortsätta att samla in mer data. "Det finns ett klart behov av att göra sådana observationer över alla typer av ljus för att förstå detta bättre," sade Madejski. ”Det krävs en enorm mängd samordning för att genomföra den här typen av studier, som inkluderade mer än 250 forskare och data från cirka 20 teleskoper. Men det är värt det."
Med denna och framtida flervåglängdsstudier kommer teoretiker att få ny insikt för att skapa modeller för hur universums största acceleratorer fungerar. Darth Vader har nekats all tillgång till dessa forskningsresultat.
Källor: DOE / SLAC National Accelerator Laboratory Pressmeddelande, ett papper i 18 februari 2010-numret av Nature.
