De blazar BL Lacertae (BL Lac), een superzwaar zwart gat omgeven door een heldere schijf en met een jet die op de aarde is gericht, heeft astronomen de unieke kans geboden om een al lang bestaande vraag te beantwoorden: hoe wordt röntgenstraling in extreme omgevingen zoals deze opgewekt? Waarnemingen met NASA-satelliet IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) en radio- en optische telescopen op aarde gaven het antwoord. De resultaten, die in het tijdschrift Astrophysical Journal Letters worden gepubliceerd, laten zien dat interacties tussen snel bewegende elektronen en fotonen (lichtdeeltjes) de oorzaak zijn.
Wetenschappers hadden twee mogelijke verklaringen voor de röntgenstraling: één waarbij protonen betrokken zijn en één waarbij elektronen een rol spelen. Deze mechanismen zouden elk een andere signatuur in de polarisatie van het röntgenlicht achterlaten. Polarisatie is een eigenschap van licht die de gemiddelde richting beschrijft van de elektromagnetische golven waaruit licht bestaat.
Als de röntgenstraling in de jet van een zwart gat sterk gepolariseerd is, zou dat betekenen dat de röntgenstraling wordt geproduceerd door protonen die om de magnetische veldlijnen van de jet spiralen of door protonen die een wisselwerking aangaan met de fotonen van de jet. Als de röntgenstraling een lagere polarisatiegraad heeft, zou dat erop wijzen dat elektron-foton-interacties tot de productie van röntgenstraling leiden.
De astronomen hebben ontdekt dat elektronen de veroorzakers moeten zijn, via een proces dat Compton-verstrooiing oftewel het Compton-effect, wordt genoemd. Compton-verstrooiing treedt op wanneer een foton na een interactie met een geladen deeltje – meestal een elektron – energie verliest of wint. De elektronen in de jets van superzware zwarte gaten bewegen met bijna de lichtsnelheid. Dankzij IXPE weten astronomen nu dat de elektronen in een blazar-jet genoeg energie hebben om fotonen van infrarood licht tot röntgengolflengten te verstrooien.
Samen met diverse telescopen op aarde heeft IXPE BL Lac eind november 2023 gedurende zeven dagen waargenomen. Dat was niet voor het eerst, maar deze waarneming was bijzonder: bij toeval bereikte de optische polarisatie van BL Lac tijdens de röntgenwaarnemingen een hoge waarde: 47 procent.
‘Dit was niet alleen de hoogste polarisatie van BL Lac van de afgelopen dertig jaar, maar tevens de hoogste polarisatie die ooit bij een blazar is waargenomen!’, aldus Ioannis Liodakis, een van de hoofdauteurs van het onderzoek en astrofysicus aan het Instituut voor Astrofysica - FORTH in Griekenland.
IXPE ontdekte dat de röntgenstraling veel minder gepolariseerd was dan het optische licht: hooguit 7,6 procent. Dit bewijst dat de interactie tussen elektronen en fotonen via het Compton-effect, de verklaring voor de röntgenstraling moet zijn. (EE)
NASA’s IXPE Reveals X-ray-Generating Particles in Black Hole Jets