Výzkumy v ASU AV ČR (211): Polarizace záření akrečních disků kolem černých děr

Ve vesmíru nalezneme mnoho objektů, u nichž je podstatná část dění řízena akrecí okolní látky na kompaktní objekt, nejčastěji černou díru nebo neutronovou hvězdu. Ať už se jedná o rentgenové dvojhvězdy, kde jednou složkou je hvězdná černá díra, na niž přetéká látka z její vyvinuté souputnice, nebo o obří černé díry v jádrech galaxií. Tyto objekty mají mnoho společného. V okolí kompaktních složek dochází k neustálému navíjení plynu, který tvoří okolo gravitačního středu akreční disk. Plyn je v disku a jeho okolí významně ohříván a stává se zdrojem elektromagnetického záření převážně v ultrafialovém a rentgenovém oboru spektra. Elektromagnetické záření složitě prochází plynnými strukturami a opakovaně interaguje s okolitou látkou, než se konečně dostane do vzdáleného detektoru pozorovatele. Plně konzistentní popis výstupního záření je i v současnosti velmi obtížným úkolem. Výpočet přenosu záření včetně změn jeho polarizačního stavu v okolí silně gravitujícího objektu je velkou výzvou. 

Jakub Podgorný, student Michala Dovčiaka, se společně s kolegy z Francie a Polska této výzvy nezalekli. Motivace pro řešení této úlohy byla silná. V poslední době dochází ke znovuotevření pozorovacího okna v oblasti polarizovaného rentgenového záření. Toto okno se podařilo po více než 40 letech mlčení otevřít díky technologickému vývoji tzv. plynových pixelových detektorů. Obavy z příliš dlouhých expozičních dob, které jsou typické pro měření polarizace nejen v rentgenovém oboru, tak byly překonány. 9. prosince 2021 byla při evropsko-americké spolupráci vypuštěna sonda IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) zaměřená právě na studium polarizovaného rentgenového záření. Během několika let by ji měla následovat evropsko-čínská mise eXTP (enhanced X-ray Timing and Polarimetry mission). Provoz těchto rentgenových dalekohledů posiluje aktuální potřebu modelů polarizovaného záření nad rámec běžného spektrálního modelování, neboť právě porovnání mezi měřeným a předpovězeným charakterem záření povede k lepšímu popisu fyzikálních procesů v blízkém okolí kompaktních objektů. 

V představované práci se autoři zaměřili na problematiku aktivních galaktických jader, která neobsahují kolimované polární výtrysky a jsou tzv. rádiově tichá. Podle současných pohledů lze situaci uvnitř těchto aktivních galaktických jader nejlépe popsat několika interagujícími strukturami. Akreční disk kolem centrální černé díry je ozařován rentgenovým zářením vznikajícím v tzv. koróně, horké oblasti situované někde nad rovinou akrečního disku. Spektrum koróny lze nejlépe popsat mocninným zákonem a již samo o sobě může být mírně polarizované. Toto záření pak prochází do akrečního disku, kde je interakcí s látkou přetvářeno. Část je rozptýlena převážně mechanismem Comptonova rozptylu, určitá část záření navíc prochází v těsné blízkosti obří černé díry a je změněna silnou gravitací. K detektoru pozorovatele pak přichází směsice původního záření a záření zprocesovaného diskem. Během rozptylu záření v disku získávají rentgenové fotony nezanedbatelnou dodatečnou míru polarizace, která je pro správnou interpretaci polarimetrických pozorování aktivních galaktických jader zásadní.

Prací modelujících výstupní záření z aktivních galaktických jader nalezneme v literatuře mnoho, stejně tak existuje ve vědecké komunitě mnoho programů, které tuto úlohu s lepšími či horšími výsledky řeší. V představované práci se ale autoři zaměřili pouze na klíčovou část odrazu záření od disku a vůbec poprvé modelovali jak spektrální, tak polarimetrické vlastnosti tohoto záření. Přijatý model byl výsledkem mnoha zjednodušení jinak bohatší reality. V brzké budoucnosti plánují zasadit tyto výsledky do globálních modelů aktivních galaktických jader, které zohledňují i geometrické vlastnosti vnitřních struktur těchto objektů se silným gravitačním polem. Pro výpočet ionizační struktury disku využili program TITAN, který umožňuje aplikovat moderní metody přenosu záření do extrémních prostředí černoděrové akrece. Jakmile získali odhad na strukturu ozařované akreující hmoty, dále postupovali s programem STOKES metodou Monte Carlo, což umožnilo studium hlubších vlastností výstupního záření, zejména unikátního stavu výstupní polarizace. Název tohoto přístupu právem připomíná jméno známého evropského kasina, protože jde do jisté míry o loterii. Analytický popis složitých interakcí je totiž nemožný. Výsledné energetické rozložení a polarizační stav světla se tak získá trasováním množiny fotonů, jejichž startovací vlastnosti jsou náhodně vygenerovány počítačem. Každý takto vytvořený umělý foton je sledován a při každé interakci s látkou disku jsou odpovídajícím způsobem změněny jeho vlastnosti. Výsledné záření je pak prostým součtem příspěvků jednotlivých umělých fotonů přicházejících do virtuálních detektorů rozmístěných v okolí modelované oblasti. 

Spektrální výsledky obecně odpovídají známým vlastnostem rentgenového záření aktivních galaktických jader. Ve spektru je výrazně patrný tzv. Comptonův hrb kolem 20 keV a velmi ostrý pokles pro energie větší než 100 keV. V měkčí rentgenové oblasti je dobře patrný přebytek záření, kolem 1 keV jsou pak pozorovatelné četné spektrální čáry, z nichž nejvýznamnější je čára železa s energií 6,4 až 7 keV. To, že spektrální vlastnosti odraženého záření jsou v souladu se standardní literaturou i za použití této nové metody, je pak vstupní branou k sebevědomému studiu polarizace, kterou se Monte Carlo přístupem rovněž podařilo získat a na jejíž přesný odhad se doposud muselo čekat.

Autoři ukazují, že například v oblastech od 2 do 8 keV, kde bude měřit sonda IXPE, může být lokálně odražené záření téměř stoprocentně polarizované, navzdory obecně spíše nižší vypočtené polarizaci odrazem oproti původním hrubým odhadům. To dává naději na měřitelnost tohoto úkazu plánovanými polarimetry, jakkoliv do výsledného signálu pro vzdáleného pozorovatele bude vstupovat ještě celá řada jevů. Velký vliv na polarizaci má také stupeň ionizace látky v disku. V měkké části spektra tak například stupeň polarizace roste s ionizací disku na úkor obecné depolarizace pozorované ve spektrálních čarách. Naproti tomu v oblasti středně tvrdého a tvrdého rentgenového záření stupeň polarizace s ionizací disku klesá, zřejmě z důvodu snížené absorpce záření. Skutečnost, že stupeň polarizace je silnou funkcí energie záření, je pro moderní rentgenové dalekohledy velmi dobrou zprávou. Autoři také nově ukazují, že na výstupní záření z disku má vliv i případná polarizace původního zdroje v koróně aktivního jádra, a to i přesto, že se na reprocesingu podílí celá řada jevů, které původní stupeň polarizace obecně snižují. Přesný odhad primární polarizace je však výzvou již pro jiné týmy detailně studující korónové vlastnosti.

Model odraženého záření prezentovaný v představované práci plánují její autoři ihned poskytnout k využití v již existujících globálních modelech celkové vnitřní struktury aktivních galaktických jader. Takové výpočty už přinášejí predikce smysluplné expoziční doby pro pozorování konkrétních objektů, které povedou k úspěšnému měření vlastností jejich záření. Tato měření by pak mohla omezit fyzikální vlastnosti pozorovaných kosmických objektů, určit jejich orientaci v prostoru, rychlost rotace černých děr nebo morfologii struktur disku a jeho koróny.  

REFERENCE

J. Podgorný, M. Dovčiak a kol., Spectral and polarization properties of reflected X-ray emission from black hole accretion discs, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 510 (2022) 4723-4735, preprint arXiv:2201.07494

KONTAKT

RNDr. Jakub Podgorný
jakub.podgorny@astro.unistra.fr
Oddělení galaxií a planetárních systémů Astronomického ústavu AV ČR

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

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