Forskare från St. Petersburg University har analyserat data från optiska teleskop som täcker mer än åtta år och lyckats förklara mekanismen för polariseringsplanrotationer i blazarer.

Dmitry Blinov är medförfattare till artikeln och Senior Research Associate vid institutionen för astrofysik, St Petersburgs universitet. Han noterar att forskare har studerat den optiska polariseringen från aktiva galaktiska kärnor i mer än 50 år. Några av de första akademiska artiklarna om detta ämne publicerades redan på 1960-talet av Vladimir Hagen-Thorn, Professor vid institutionen för astrofysik, St Petersburgs universitet, och Viktor Dombrovskiy, Docent vid institutionen för astrofysik, Leningrad State University.

I universum, huvudmaterialet är koncentrerat i galaxer med hundratals miljarder stjärnor; det finns cirka 200-400 av dem i Vintergatan. I mitten av galaxer finns supermassiva svarta hål, vars massa sträcker sig från miljoner till miljarder av solens. Runt svarta hål finns ett stort antal stjärnor, gas och damm, som, att vara för nära det svarta hålet, "falla" in i det. Dock, ett svart hål kan inte få i sig dessa helt och slänger ut en del av materialet i det intergalaktiska rymden i form av extremt snabba plasmastrålar.

De bästa föremålen för att studera detta fenomen är blazarer. De är aktiva galaktiska kärnor med mycket hög ljusstyrka, vars plasmaflöde (jet) är riktat mot jorden i en vinkel på högst 15 grader. Sådana föremål är de viktigaste källorna till kosmiska gammastrålar, vars natur och egenskaper är understuderade. Dessutom, blazarer förbryllar astronomer genom att producera andra fenomen, inklusive rotation av polarisationsplan.

Polarisationsplanet för en våg är det plan i vilket en vektor (t.ex. den elektriska fältvektorn) oscillerar och förändras. I den avbildade figuren, den elektriska vektorns oscillationer är i blått; polarisationsplanet är i rött.

Ljuset som vi ser i naturen, i regel, består av många sådana vågor riktade i olika riktningar. I detta fall, orienteringen av polarisationen är slumpmässig (i bilden nedan i bilden till vänster). Fullt polariserat ljus (i figuren till höger) fortplantar sig med den elektriska vektorns svängningar i endast ett plan. Ett sådant fenomen kan observeras i vissa lasrar. Dock, fysiska processer skapar huvudsakligen delvis polariserat ljus, medan elektromagnetiska vågor i en ljusstråle ofta svänger längs en av riktningarna. Till exempel, figuren i mitten visar elektromagnetiska vågor i en stråle av delvis polariserat ljus riktad mot läsaren. Det är denna typ av ljus som forskare observerar när de studerar blazarer. För det här syftet, de studerar aktiva galaktiska kärnor genom ett teleskop med ett speciellt polariserande filter, liknar solglasögon, som överför svängningar endast i ett plan.

Årtionden av observationer har vittnat om att polariseringsplanet för synligt ljus i blazarer ibland roterar. Forskare har lagt fram flera hypoteser som kan beskriva mekanismen för sådana rotationer, men ingen av dem har haft tillräckliga bevis. Forskargruppen från Laboratory of Observational Astrophysics vid St. Petersburg University uppmärksammade en av de teoretiska modellerna. Det föreslogs redan 2010 i en akademisk uppsats. Forskare från St Petersburg University deltog också i den studien. Den övervägde en rotation av polarisationsplanet och förutspådde att sådana rotationer skulle sammanfalla med upprepade gammastrålningsskurar.

Forskargruppen från St. Petersburg University testade denna hypotes i samarbete med forskare från Boston University Institute for Astrophysical Research, Max Planck Institute for Radio Astronomy; och andra forskningsinstitutioner. De analyserade allmänt tillgängliga data från:Fermi Gamma-ray Space Telescope, som hade observerat en av de mest aktiva blazarerna 3C 279; St. Petersburg University Observatory; Krim Astrophysical Observatory; Perkins-teleskopet; och andra.

"Vi har jämfört resultaten av ett flertal observationer av polariseringen av optisk emission från blazar 3C 279 med öppna data från Fermi Gamma-ray Space Telescope. Det har regelbundet skannat hela himlen sedan 2008 och visat gammastrålningsflödesfördelning. Vi har har lyckats hitta ett mönster av utbrott i denna blazar, som har upprepats minst tre gånger tillsammans med rotationerna av den optiska polarisationen. Detta bekräftar den tidigare föreslagna modellen som förklarar polarisationsrotationer, säger Dmitrij Blinov.

Dessutom, baserat på de uppgifter som erhållits, forskarna har lyckats beskriva strukturen på den inre delen av strålarna. Det visar sig att den snabba ryggraden, mitten av jetstrålen, är omgiven av ett långsammare hölje, som består av ringkondensationer. När en plasmoid rör sig längs strålens ryggrad i hög hastighet, den sprider lågenergifotoner från höljet till energierna i gammastrålningsbandet. Detta orsakar skurarna som forskarna har observerat. Eftersom höljets ringformade strukturer har varit stabila under åren av observationer, sådana utbrott har upprepats flera gånger.

Forskningsresultaten har blivit grunden för 3D-animering, vilket ger en uppfattning om de processer som äger rum i de inre delarna av aktiva galaktiska kärnor. Enligt Dmitry Blinov, i framtiden, liknande mönster av skurar i gammabandet kan hjälpa till att klargöra andra problem. Till exempel, enligt en av hypoteserna, det är jetstrålar med snabba ryggar och ett långsamt hölje som kan producera grundläggande kosmiska partiklar – neutriner. Upprepade mönster av utbrott kan tyda på blazarer som avger kosmiska neutriner.