Bir kara deliğin etrafındaki birikim diskinin şekli, onun X-ışını emisyonunun polarizasyonuyla belirlenebilir.

Moskova Devlet Üniversitesi Sternberg Astronomi Enstitüsü'nden bir grup gökbilimci, İtalyan meslektaşlarıyla birlikte, X-ışını çiftlerinde ve aktif galaktik çekirdeklerde kara deliklerin etrafındaki birikim disklerinin şeklini, X-ışını emisyonlarının polarizasyon derecesini analiz ederek belirlemek için özgün bir yöntem geliştirdi. Yığılma disklerinden gelen X-ışını emisyonunun disk şekline duyarlı olduğu ve disk ince bir "gözleme" şekline sahipse doğrusal olarak polarize olması gerektiği ortaya çıktı. Bu teorik öngörüler gözlemlerle doğrulandı: yöntem, kara delikli birkaç X-ışını çiftinde ve bir Seyfert I galaksisinde test edildi.

Kara delikler (BH'ler) gibi kompakt kozmik nesneler, astrofizikçilerin hakkında neredeyse hiç şüphe duymadığı çok sayıda "kara delik adayı"nın keşfedilmesine rağmen gizemli ve esasen varsayımsal kalmaya devam ediyor (örneğin, Elements dergisinin 14 Nisan 2019 tarihli " M87 Galaksisinin Kara Deliği: İç Portre " başlıklı haberine bakın). Araştırmaları, cevapsız kalan birçok soruyu gündeme getiriyor. Örneğin, BH'lerin yakın çevresinde neler olup bittiğine dair net bir anlayış yok. Özellikle yakın zamana kadar bilim insanları, BH'lere düşen madde disklerinin şekli hakkında yalnızca teorik tahminlerde bulunabiliyorlardı ( "Disk Birikimi " problemine bakın). Birikim disklerinin yapısı hakkında onlarca yıl önce çeşitli teoriler önerilmişti, ancak gerçeği en iyi tanımlayanı belirlemeye olanak tanıyan deneysel veriler hâlâ eksikti. Bu durum, bilim insanlarının astrofizik ders kitaplarında devrim yaratabilecek veriler elde etmesine yardımcı olan Görüntüleme X-ışını Polarimetrisi Gezgini ( IXPE ) uzay teleskobunun fırlatılmasından sonra değişti.

Bir birikim diski için üç olası şekil vardır: "silindir", "küre" ve ince, düz bir "gözleme" (Şekil 2). Sovyet astrofizikçilerinin 1970'lerdeki ilk hesaplamaları düz bir şekle işaret ediyordu, ancak o zamanlar bu tahmini doğrulamak imkansızdı: teleskoplar ve veri analiz yöntemleri, kara deliklerin yakınlarına bu kadar derinlemesine nüfuz etme konusunda sınırlı yeteneklere sahipti.

IXPE ile gerçekleştirilen kara delik gözlemleri, bilim insanlarının daha önce yalnızca şüphelendiği bir şeyi doğruladı: Akreasyon disklerinden gelen X-ışını emisyonu polarizedir . Dahası, polarizasyonları doğrusaldır ve diskin optik kalınlığına ve uzaysal yönelimine bağlıdır. İkincisi, Sovyet fizikçiler R. Sunyaev ve L. Titarchuk tarafından 1985 yılında, göreli radyasyon transfer teorisine sıkı sıkıya bağlı teorik hesaplamalara dayanarak öngörülmüştü (R. Sunyaev, L. Titarchuk, 1985. Akreasyon disklerindeki düşük frekanslı radyasyonun hesaplanması: Sert radyasyonun açısal dağılımı ve polarizasyonu ).

MSU bilim insanları, NICER , NuSTAR ve Swift uzay teleskopları tarafından yürütülen çok çeşitli polarimetrik ölçümler ve eşzamanlı spektral gözlemler kullanarak, polarizasyon derecesi, optik kalınlık ve disk düzlemi ile gözlemcinin yönü arasındaki açı arasında daha önce önerilen ilişkiyi doğruladılar. Daha da önemlisi, polarizasyon, disk kalınlığı ve yönelimi arasındaki ilişkinin doğrulanması, birikim diskinin şeklini de doğrular: "düz"! Ama önce ilk şeyler.

1973 yılında N. Shakura ve R. Sunyaev, normal bir yıldız ve kompakt bir cisimden oluşan ikili sistemlerde (örneğin bir kara delik, Şekil 3) X-ışını emisyonunun nasıl oluştuğuna dair öncü bir fikir ortaya attılar. Bu fikir artık küresel astronomi topluluğu tarafından genel olarak kabul görmektedir. Özü, verici yıldızdan kara deliğe akan maddenin viskozitesini hesaba katarak, kara deliğin etrafında bir yığılma diski oluşumu sırasında X-ışını kuantalarının salınmasında yatar (N. Shakura, R. Sunyaev, 1973. İkili sistemlerdeki kara delikler. Gözlemsel görünüm ). Yığılma diski, yıldızdan gelen maddenin kara deliğin muazzam yerçekimi tarafından çekilmesiyle oluşan sıcak gaz ve kozmik tozdan oluşan dev bir "girdap" veya "simit"tir. Bu madde doğrudan kara deliğe düşmez, onun etrafında dönerek muazzam hızlara ulaşır ve milyonlarca dereceye kadar ısınır. Kara delikler hakkında bilgi edinmenin başlıca kaynağıdır ve gökbilimciler parlak ışığını kara deliklerin özelliklerini incelemek için kullanabilirler.

Radyasyonun polarizasyonunun ikili sistemlerde gözlemlenebileceği sonucuna varan ilk kişi 1946 yılında Chandrasekhar'dı (S. Chandrasekhar, 1946. Yıldız Atmosferinin Radyasyon Dengesi Üzerine ). Düzlem-paralel bir elektron saçılımı atmosferinde, radyasyon transferinin polarizasyona yol açtığını gösterdi. Ancak Chandrasekhar'ın çözümü yarı-sonsuz bir atmosferde saf saçılma için tasarlanmıştı ve hala disk geometrisini ve foton enerjisinin edinimiyle radyasyonun saçılmasını (yani, Comptonizasyon) hesaba katmıyordu. R. Sunyaev ve L. Titarchuk (yukarıda bahsedilen 1985 tarihli makalede ) herhangi bir optik derinlik için saçılan radyasyonun (ortalama zamandan daha büyük bir zaman boyunca) açısal ve uzaysal dağılımını hesaplayan ilk kişilerdi.

Radyasyonun polarizasyonu, birikim diskinin sıcaklığına ve plazmasının iyonlaşma derecesine bağlıdır. Ayrıca, iyonlaşma durumu yoğunluğa da bağlıdır. Aslında, klasik bir birikim diski, mükemmel bir kara cismin karakteristik radyasyonunu yayar (N. Shakura, R. Sunyaev, 1973. İkili sistemlerdeki kara delikler. Gözlemsel görünüm ). Bu radyasyon, sıcak Compton bulutunda tekrar tekrar saçılır ve yalnızca bu radyasyon 2–8 keV enerjilerine kadar saçılır (bu, tam olarak IXPE'nin polarizasyonu ölçtüğü aralıktır). Yani, diskin düz yüzeyinden yansıdığında Comptonizasyona uğrayan bu radyasyondur ve diskin fiziksel parametrelerine duyarlıdır (Şekil 3).

Diskin içinde neler olur? X-ışını radyasyonunun polarizasyonu orada mümkün müdür? Diskin içinde, tüm radyasyon termal dengededir ve hiç dağılmaz, ancak bir kara cisim fotonu yayılırsa, hemen emilir (bkz. G. Rybicki, A. Lightman, 1979. Radiative Processes in Astrophysics ). Ancak sıcak Compton bulutunda, kara cisim fotonları gerçekten de dağılır ve enerji kazanır.

Bu metnin başında da belirtildiği gibi, birikim diskinin şekli astrofizikçiler arasında uzun süredir tartışma konusu olmuştur. Çeşitli kaynaklara göre, küresel, düz veya merceksi (dışbükey veya içbükey) olabilir. Bu durum kısmen, süper kütleli kara deliklerin etrafında birikim disklerinin oluştuğu galaksilerden gelen X-ışını radyasyonunun polarizasyonunun optik gözlemlerinden kaynaklanıyordu. Ancak bu gözlemler, X-ışını radyasyonunun polarizasyonunun gerçekte nerede ( şişkinlikte , diskte veya diskin bir bölümünde) meydana geldiğini veya ana "polarizatörün" şeklini anlamamızı sağlamadı. Diskin dış kısımlarının bir bakıma kendi yaşam döngülerine sahip olduğu ve polarizasyona aktif olarak katılmadığı ortaya çıktı.

İlginçtir ki, oldukça kaba bir yaklaşım kullanan önceki modeller, diski düz üst ve alt sınırları olan bir silindir ("düz" bir disk) olarak ele alıyordu. Bunun nedeni, dönen maddenin merkezi bir nesneye (örneğin bir kara deliğe) düşmesinin, merkezcil kuvvet ve gelgit kuvvetlerinin etkisi altında, dönme düzleminde uzayan bir disk oluşturmasıdır (bu konu "Düz" Evren probleminde ayrıntılı olarak ele alınmaktadır).

R. Sunyaev ve L. Titarchuk'un (aynı 1985 tarihli makalede ) gösterdiği gibi, bir ikili sistemden gelen X-ışını emisyonunun polarizasyonu yalnızca diskin iç kısmında (Compton bulutunda, CC) meydana gelir; burada "soğuk" radyasyon sıcak elektronlarla etkileşime girer. Dahası, polarizasyon derecesi kara deliğin spektral durumuna bağlıdır: yumuşak spektrumlu yüksek parlaklık durumunda daha yüksek, sert spektrumlu düşük parlaklık durumunda ise daha düşüktür (Şekil 4; spektral durumlar, Kara Delikler ve Nötron Yıldızları İçeren X-ışını İkili Sistemlerini Ayıran Spektral İmzalar başlıklı makalede ayrıntılı olarak ele alınmıştır).

Bir dizi X-ışını ikili sistemi ve aktif galaktik çekirdek için gözlemsel verilerle teorik hesaplamaların karşılaştırılması, açıklanan yaklaşımın doğruluğunu teyit etmiş ve daha önce önerilen disk şekli modellerinin çeşitliliğine kesinlik kazandırmış, geriye yalnızca "düz disk" kalmıştır.

Gerçekten de, dikey eksen boyunca çizilen IXPE ile ölçülen polarizasyon derecesi \(P\) (Şekil 5, sol) ile yatay eksen boyunca çizilen disk eğim açısı \(i\) (daha doğrusu \(cos i\))'nin (bu açı gözlemlerden bilinmektedir) BH'li çeşitli X-ışını ikili sistemleri için basit bir karşılaştırması, bu niceliklerin kesişiminin düz diskler durumu için teoriye uygun olarak grafikte (koyu yeşil eğriler) yer aldığını göstermiştir. Teorik olarak hesaplanan eğrilerin dışında ise hiçbir kesişim noktası yoktur. Dahası, optik derinlik değeriyle birlikte gelen eğrilerin her biri, düz bir disk durumu için teorik öngörüyle tam olarak örtüşmektedir. Bu, tüm bu disklerin düz olduğu anlamına gelir!

Elde edilen sonuçlar, 40 yıl önce tahmin edilmiş ve ardından polarizasyon etkisinin gözlemsel olarak doğrulanmasının imkânsızlığı nedeniyle "bir kenara bırakılmış" olsa da, beklenmedik çıktı. Bu sonuçların hesaba katılması gerekecek; bu da şüphesiz gözlemsel verilerle olası tutarsızlıklar nedeniyle birçok birikim diski modelinin revize edilmesine yol açacaktır. Açıklanan sonuçlar sayesinde astrofizikçiler artık X-ışını emisyon modellerinin parametrelerini hesaplarken polarizasyon derecesini doğrulayabiliyorlar. IXPE, polarizasyonun sırlarını ve yalnızca yıldız kütleli kara deliklerin değil, aynı zamanda radyasyonu düz bir birikim diskinin sıcak plazmasında Comptonizasyon sırasında doğrusal olarak polarize olan süper kütleli kara deliklerin özelliklerini de ortaya çıkardı. Süper kütleli kara deliklerin polarizasyon derecesinin diskin uzamsal yönelimine bağlı olduğu doğrulandı.

Özetle, uzun zamandır var olan teori artık sağlam bir deneysel temele kavuşmuş durumda ve tartışılan çalışma sadece eski varsayımları doğrulamakla kalmıyor, aynı zamanda Evren'deki en uç cisimleri incelemek için yeni bir yol açıyor.

Kaynak: Lev Titarchuk, Paolo Soffitta, Elena Seifina, Enrico Costa, Fabio Muleri, Romana Mikusincova. Kara delik ikililerinde ve aktif galaktik çekirdeklerde X-ışını doğrusal polarizasyon tahmini ve IXPE // Astronomi ve Astrofizik tarafından ölçümleri. 2025. DOI: 10.1051/0004-6361/202554834.

Elena Seyfina