Blazary to jedne z najbardziej ekstremalnych obiektów w obserwowalnym Wszechświecie. W sercach niektórych aktywnych galaktyk supermasywne czarne dziury wsysają wszystko wokół siebie jak żarłoczne odkurzacze. Rozpędzają opadającą na nie materię do ogromnych prędkości, po czym wyrzucają jej część w postaci wąskich strug zjonizowanej materii – dżetów. Gdy taki dżet celuje prosto w Ziemię, obiekt nazywamy blazarem. Można powiedzieć, że to kosmiczny reflektor o niewyobrażalnej mocy.

NIEREGULARNY ROZKŁAD PKS-u

Jednym z najjaśniejszych i najbardziej szczegółowo badanych blazarów na południowym niebie jest PKS 2155-304. To odległy o półtora miliarda lat świetlnych obiekt w gwiazdozbiorze Ryby Południowej.

W swojej pracy (Journal of High Energy Astrophysics DOI: 10.1016/j.jheap.2026.100688) dr hab. Alicja Wierzcholska, profesor z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN, i dr Michael Zacharias z Uniwersytetu w Heidelbergu przeanalizowali 20 lat ciągłych i przerywanych obserwacji tego blazara z lat 2005–2024, pochodzących z amerykańskich teleskopów kosmicznych Neil Gehrels Swift Observatory (zakres optyczny, UV i rentgenowski) oraz Fermi Gamma-ray Space Telescope (wysokoenergetyczne promieniowanie gamma). To wyjątkowy, długoterminowy zbiór danych, który pozwala zweryfikować, czy standardowe modele teoretyczne opisujące promieniowanie dżetów sprawdzają się w skali dekad. Badania te podsumowano w przesłanym PAP komunikacie IFJ PAN.

Problemem w lepszym zrozumieniu blazarów było to, że te gigantyczne strumienie świecącej materii wydają się zupełnie nieprzewidywalne. Potrafią jaśnieć i gasnąć w różnych zakresach energii w sposób całkowicie niemożliwy do prognozowania.

"Zmienność blazarów jest ich charakterystyczną, od dawna znaną cechą. Blazary potrafią emitować promieniowanie nie tylko w różny sposób podczas różnych obserwacji, ale nawet w ramach tej samej obserwacji, kiedy to w jednych zakresach energii zmiany mogą wyglądać inaczej niż w innych", zauważa cytowana w komunikacie swojego instytutu prof. Alicja Wierzcholska.

CZEKAJĄC NA PKS

Do tej pory fizycy próbowali badać te obiekty za pomocą krótkich akcji obserwacyjnych. Wyglądało to trochę tak, jakby ktoś chciał poznać całą trasę linii autobusu, obserwując jedynie jego podróż przez trzy minuty na rok.

Naukowcy zebrali więc dane z 20 lat takich wyrywkowych obserwacji. Zamiast prostych odpowiedzi, pojawiła się cała seria fascynujących łamigłówek.

Dotychczasowy model teoretyczny zakładał, że całe to promieniowanie generuje pojedyncza paczka elektronów pracująca w jednej strefie dżetu. Zgodnie z tą logiką, jeśli elektrony podkręcają tempo, to powinno być to widać w analizie promieniowania rentgenowskiego i optycznego. Badania pokazały jednak całkowity brak takich długookresowej korelacji.

MROCZNE WIDMO I NIESPODZIEWANE PRZEGIĘCIE!

"Podstawowy wniosek płynący z naszych analiz to spostrzeżenie, że obecnie najpopularniejsze modele teoretyczne, zakładające emisję promieniowania w obrębie jednej strefy dżetu przez jedną populację elektronów, potrafią opisywać zmienność naszego blazara tylko w małych przedziałach czasowych. Jednak w tym obiekcie najwyraźniej dzieje się coś bardziej skomplikowanego, czego krótkie kampanie obserwacyjne nie są w stanie uchwycić" - oceniła dr Wierzcholska.

Badania, w których uczestniczyła, potwierdziły, że widmo energetyczne blazarów standardowo przypomina profil z dwoma garbami. Pierwszy tworzą elektrony emitujące promieniowanie synchrotronowe, drugi – odwrotne rozpraszanie comptonowskie lub procesy z udziałem cięższych cząstek, takich jak protony.

Krakowscy badacze dostrzegli jednak w danych nieoczekiwane, statystycznie znaczące trzecie przegięcie wykresu. Co ciekawe, doszło do tego w momencie całkowitego spokoju – kiedy obiekt nie wykazywał żadnego rozbłysku.

"Obecność nowego przegięcia w widmie blazara mówi nam, że w trakcie dwóch obserwacji musiał działać jakiś dodatkowy mechanizm fizyczny – i to w czasie, gdy nie było żadnego rozbłysku! Z różnych rozważań teoretycznych można wyciągnąć wniosek, że mechanizm ten najprawdopodobniej miał charakter hadronowy. To niezwykle ciekawe, ponieważ teoretycy coraz częściej przekonują, że w takich sytuacjach możliwa jest produkcja neutrin" - zinterpretowała dr Wierzcholska.

FABRYKI NEUTRIN

Neutrina mają znikomą masę, nie posiadają ładunku elektrycznego i przechodzą przez zwykłą materię niemal niczym duchy. Co sekundę przez każdy centymetr kwadratowy naszego ciała przelatują ich miliardy, nie zostawiając żadnego śladu. Te najbardziej energetyczne neutrina przybywają z najdalszych zakątków kosmosu.

Jeśli polsko-niemiecki zespół ma rację i za tajemnicze przegięcie widma odpowiadają reakcje hadronowe, oznacza to, że blazary są w rzeczywistości gigantycznymi, naturalnymi akceleratorami tych cząstek. To właśnie one mogą być poszukiwaną od dawna fabryką pozagalaktycznych kosmicznych neutrin.

Odkrycie zespołu z IFJ PAN całkowicie zmienia zasady patrzenia na aktywne galaktyki. Pokazuje, że zachowanie dżetów wymaga zupełnie nowego podejścia teoretycznego i utworzenia stałych, wielozakresowych systemów monitoringu nieba.

Badania wymagały użycia dużych mocy obliczeniowych – prace zrealizowano dzięki wsparciu Akademickiego Centrum Komputerowego Cyfronet AGH, a rodzimy wkład sfinansowano z grantu Narodowej Agencji Wymiany Akademickiej.

Ludwika Tomala, Nauka w Polsce

lt/ zan/