Výzkumy v ASU AV ČR (228): Pozorování polarizovaného záření ze Seyfertovy galaxie

Aktivita galaktických jader je řízena akrecí plynu na centrální černou veledíru. Tyto objekty jsou pravými vzdálenými laboratořemi pro výzkum chování látky v prostředí s extrémní gravitací. Současný model aktivních galaktických jader předpokládá, že jejich zdánlivě různé typy jsou důsledkem různých pohledových úhlů na fyzikálně stejný typ objektu. Seyfertovy galaxie pak reprezentují objekty, které sledujeme pod nepříliš velkým úhlem s ohledem na rovinu akrečního disku. Seyfertovy galaxie z pohledu pozorovatele vypadají jaké běžné spirální galaxie (pozorované pod úhlem) s jasným jádrem. Jádra Seyfertových galaxií vydávají ve viditelné oblasti záření srovnatelné se zářením hvězdného disku dané galaxie. Kromě viditelného záření jsou Seyfertovy galaxie občas aktivní i v radiových vlnových délkách, přebytek záření pak vykazují v ultrafialové a rentgenové oblasti spektra.

O fotonech s nejvyšší energií se předpokládá, že vznikají inverzním Comptonovým jevem ve velmi horké koróně blízko černé díry, kdy záření získává energii opakovaným rozptylem na velmi horkých elektronech. Poloha a charakter této horké koróny však zůstává záhadou. V literatuře se objevují dva nejrozšířenější modely. Jednak model rozšířené koróny, podle něhož se tato horká oblast vyskytuje nad a pod akrečním diskem a je energizována nestabilitami v disku. Dále pak model kandelábru, kdy se naopak horká koróna nachází na ose akrečního disku v určité výšce nad ním a je energizována například polárním výtryskem. Může přirozeně vznikat i v případech, kdy plnohodnotný polární výtrysk nepozorujeme.

Dosavadní studie ukázaly, že s pomocí analýzy a interpretace spektroskopických pozorování lze určit velké množství základních parametrů systému, jako je např. hmotnost centrální černé veledíry nebo její spin, ovšem jednoznačnou odpověď na tvar a polohu koróny tato pozorování nenabízejí.

Michal Dovčiak z ASU i jeho další kolegové s pomocí sofistikované numerické simulace již v minulosti ukázali, že klíčem k rozuzlení této záhady může být pozorování polarizovaného rentgenového záření. Předpokládá, že přicházející rentgenové záření je výsledkem přeprocesování primárního záření horkými elektrony v koróně. K tomu dochází díky inverznímu Comptonovu rozptylu, což je fyzikální jev, který zcela přirozeně způsobuje polarizaci záření. Výsledný charakter polarizace je pak extrémně citlivým indikátorem pro geometrii a polohu koróny.

Měření polarizace v rentgenové oblasti spektra je ovšem technicky velmi náročným úkolem a až donedávna nebylo spolehlivě možné. To se změnilo vypuštěním družice IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) v prosinci minulého roku. Netrvalo pak dlouho, aby celá metodika zaznamenala první úspěch.

Cílem se stala rádiově klidná Seyfertova galaxie typu 1.9 s označením MCG-05-23-16, která se nachází ve vzdálenosti 36 Mpc a na pozemské obloze se promítá do souhvězdí Vývěvy na jižní polokouli. Tato galaxie byla cílem pozorovacích kampaní již v minulosti s cílem omezit hodnoty jejích fundamentálních parametrů. Velkou výhodou této galaxie je její nekomplikované spektrum, které značně zjednodušuje interpretaci.

Pozorování dalekohledem IXPE začala 14. května 2022 a opakovala se o týden později. Celkově strávil přístroj expozicí této oblasti téměř 140 hodin, což umožnilo získat v této oblasti kvalitní rentgenová spektra včetně stanovení hodnot polarizace. V kampani sledovaly galaxii i další dvě sondy, a to sice XMM-Newton a NuSTAR. Všechna tato pozorování byla zpracována s pomocí standardních programových balíčků. Družice IXPE zjistila, že stupeň polarizace je menší než 4,7 %. Pozorování zbývajících dvou družic umožnila zkonstruovat průběh rentgenového spektra a určit tak dvě jeho hlavní komponenty, dále odhad chemického složení a inklinaci systému vůči pozorovateli. Kombinací bylo možné určit sklon spektra a jeho hraniční energii (ty souvisí optickou tloušťkou korony a s teplotou elektronů v koróně).

S pomocí numerického modelování autoři dále sestavili tři principiálně odlišné modely pro geometrii koróny, a to obě zmíněné v úvodu, tedy plochou rozšířenou korónu a model kandelábru, k němuž přidali model useknutého kuželu jako modelu pro výtrysk. Realizací těchto modelů byla pro různé hodnoty volných parametrů vyšetřena celá řada. Porovnáním předpovědi modelu s reálnými pozorováními lze omezit meze jejich platnosti. Z výsledků vyplývá, že zatímco modely kandelábru a useknutého kužele jsou v principu konzistentní s pozorováními, model ploché koróny by pozorováním vyhověl jedině pro velmi nízkou hodnotu sklonu, která je v tomto systému nepravděpodobná.

Autoři však upozorňují, že ani tentokrát není odpověď na otázku konfigurace koróny této galaxie s aktivním jádrem jednoznačná. Práce však ukazuje cestu, kterou je možné se vydat. Další pozorování mohou přinést zpřesnění vstupních údajů a z toho vyplývající možnost určit geometrii této vzdálené komplexní struktury přesněji.

REFERENCE

A. Marinucci, F. Muleri, M. Dovčiak a kol., Polarization constraints on the X-ray corona in Seyfert Galaxies: MCG-05-23-16, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society v tisku, preprint arXiv:2207.09338

KONTAKTY

RNDr. Michal Dovčiak, Ph.D.
michal.dovciak@asu.cas.cz
Oddělení galaxií a planetárních systémů Astronomického ústavu AV ČR

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Oddělení galaxií a planetárních systému ASU

Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v.v.i.