Výzkumy v ASU AV ČR (99): Polarizace rentgenového záření umožní na dálku změřit černou veledíru
V současné době je téměř jisté, že v centru každé galaxie se nachází černá veledíra. Jejich vlastnosti je však nesmírně obtížné na dálku změřit. V naší Galaxii využíváme ke „zvážení“ té „naší veledíry“ pohybů hvězd, které dokážeme s pomocí velkých dalekohledů jednotlivě rozlišit. Ve vzdálených galaxiích toto není možné. M. Dovčiak z ASU byl součástí skupiny vědců, kteří navrhují využít polarizace rentgenového záření na vzdálené „měření“ parametrů černých veleděr a jejich okolí v aktivních galaxiích.
Černé veledíry v některých galaxiích jsou obklopeny materiálem, který postupně spiráluje na centrální objekt. Při tomto procesu se zahřívá a je zdrojem intenzivního rentgenového záření. Pak mluvíme o tzv. aktivních galaxiích. Naše Galaxie mezi aktivní nepatří, ale v minulosti tomu mohlo být jinak, přinejmenším epizodicky. Aktivita v centrech aktivních galaxií má mnoho projevů, přítomné jsou například polární výtrysky a podobně. Aktivních objektů je sice mnoho typů, ale obecně se soudí, že geometrie všech je stejná a projevy se liší doslova úhlem pohledu. Černou veledíru vždy obklopuje akreční disk, ve větších vzdálenostech v rovníkové rovině pak najdeme pracho-plynový torus. V sektorech kolem pólů nalezneme oblast galaktického větru, který v případech významné aktivity přechází v úzce směrované polární výtrysky.
Společným jmenovatelem aktivních galaktických jader je přítomnost rentgenového záření, které vzniká v blízkosti černé veledíry. To je pak přenášeno všemi okolními strukturami, které ovlivňují jeho šíření, ať již efekty silné gravitace nebo rozptylem na volných elektronech ve vysoce ionizované látce. Oba tyto procesy mohou pozměnit stav procházejícího záření tzv. polarizací. Například Thompsonův rozptyl na volných elektronech mění polarizaci elektromagnetického záření značně, což víme přesvědčivě například z pozorování koróny při úplných slunečních zatměních, při němž též pozorujeme světlo fotosféry rozptýlené na volných elektronech v koróně.
Michal Dovčiak z ASU se významně podílel na studii, která navrhuje použití polarizovaného rentgenového záření ke vzdálenému určování vlastností černých veleděr aktivních Seyfertových galaxií druhého typu. Tento typ reprezentuje případ, kdy aktivní galaktické jádro pozorujeme z boku nebo téměř z boku. Metodiku vypracovali na základě počítačového modelu systému.
Počítačový model zjednodušeně reprezentuje všechny struktury, které se očekávají v centru aktivní galaxie; tyto struktury jsou popsány fyzikálními parametry, jejichž hodnoty odpovídají těm odvozeným ze skutečných pozorování. Autoři například zvolili hmotnost černé veledíry 108 hmotností Slunce, což je typická hmotnost očekávaná v aktivních galaxiích. V tomto systému vysílali „testovací“ fotony rentgenového záření, jejichž zdroj se nacházel pro zjednodušení na ose symetrie. Vyslaný testovací foton nejprve procházel kolem černé veledíry, přičemž jeho šíření řešil program implementující relativistické jevy v poli silné gravitace. Jakmile se foton „ponořil“ do některé z okolních struktur, v nichž dochází k interakci s látkou, převzal výstup prvního programu program navazující, jež vyřešil cestu fotonu touto strukturou. Oba programy braly v úvahu i změny polarizace záření. Z výsledného fotonového svazku byly pak vybrány a analyzovány pouze ty, které se od aktivního jádra šíří do směru blízkého rovině rovníku, tedy takové, které odpovídají typu Seyfert-2. Dílem Michala Dovčiaka byl výpočet změn intenzity a polarizace záření způsobených Einsteinovou obecnou teorií relativity, tedy gravitací černé veledíry a vzájemnými velkými rychlostmi oblastí fotony emitujících a oblastí fotony pohlcujících a znovu vyzařujících. Program M. Dovčiaka tedy řešil záření ze zdroje k akrečnímu disku a vzdáleným oblastem, a z disku k vzdáleným oblastem.
Autoři celkově studovali jednaosmdesát různých modelových situací. Ve výsledcích sledovali dopad jednotlivých parametrů na spektrum a polarizaci záření registrovaného hypotetickým pozorovatelem. Celkově výpočty zabraly více než patnáct tisíc procesoro-hodin, tedy na jednoprocesorovém počítači by takový výpočet trval více než 21 měsíců. Autorům však zabral pouze měsíce tři, neboť výhodně využili víceprocesorový klastr Univerzity ve Štrasburku. Z výsledků vyplývá, že s analýzou polarizovaného záření je možné určit například rychlost rotace černé veledíry nebo změřit sloupcovou hustotu vodíkové látky v okolí veledíry.
Autoři navíc odhadli, zda jsou potřebná měření v dosahu budoucích kosmických misí, neboť v současnosti není žádný takový přístroj k dispozici. Autoři odhadují, že příslušná měření jsou v dosahu dalekohledů jako je např. plánovaný Imaging X-ray Polarimetry Explorer, který by měl startovat za tři roky. Potřebné integrační doby jsou ale dlouhé, v řádu milionu sekund, tedy kolem deseti dnů. Jestli budou taková pozorování k dispozici, není v tuto chvíli jisté, uvedený článek však přinejmenším představuje vhodnou metodologii, jíž se mohou ujmout plánovači dalších experimentů.
REFERENCE
Marin, F., Dovčiak, M. a kol., Predicting the X-ray polarization of type-2 Seyfert galaxies, Monthly Notices of Royal Astronomical Society v tisku, preprint arXiv:1709.03304
KONTAKT
Mgr. Michal Dovčiak, Ph. D.
Oddělení galaxií a planetárních systémů Astronomického ústavu AV ČR
Email: michal.dovciak@asu.cas.cz
Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Oddělení galaxií a planetárních systémů ASU
Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v. v. i.