Gotovo 20 godina podataka NASA-inih opservatorija Swift i Fermi pokazuje da se blazar PKS 2155−304 ponaša složenije nego što predviđaju najrašireniji modeli. Posebno se izdvaja rendgenski signal zabilježen tijekom mirnijeg razdoblja 2012. godine.
Oko 1,5 milijardi svjetlosnih godina od Zemlje nalazi se aktivna galaksija PKS 2155−304, jedan od najsjajnijih blazara južnog neba. Astronomi su je pratili od optičkog i ultraljubičastog područja do rendgenskog i gama-zračenja, očekujući da će dugačak niz podataka pomoći objasniti kako nastaju snažni mlazovi čestica u blizini supermasivnih crnih rupa.
Umjesto jasnog obrasca, nova analiza pokazala je niz odstupanja. Najneobičniji trag pojavio se u travnju 2012., kada je rendgenski spektar naglo promijenio oblik pri energiji od oko 5 kiloelektronvolta. Taj se višak ne povezuje glatko s izmjerenim gama-zračenjem, pa autori zaključuju da u mlazu vjerojatno djeluje dodatni proces ili zasebno područje iz kojeg dolazi zračenje.
Blazar je galaksija čiji je mlaz usmjeren prema Zemlji
Blazar je vrsta aktivne galaktičke jezgre. U središtu takve galaksije nalazi se supermasivna crna rupa, a materijal koji joj se približava stvara iznimno vruće i sjajno okruženje. Dio plazme može biti ubrzan u uske, relativističke mlazove koji izlaze iz područja oko crne rupe.
Kada je jedan od tih mlazova usmjeren približno prema Zemlji, njegovo zračenje djeluje znatno sjajnije i promjenjivije. Upravo zato blazari mogu u kratkom vremenu promijeniti sjaj u rasponu od radiovalova do gama-zračenja. Sličnu geometriju smo ranije opisali u ovom članku.
PKS 2155−304 pripada skupini blazara tipa BL Lac. Riječ je o objektima koji u pravilu nemaju snažne emisijske linije u optičkom spektru, ali su poznati po vrlo izraženim promjenama sjaja. Njegov je mlaz godinama jedan od važnih laboratorija za proučavanje ubrzavanja čestica do ekstremnih energija.
Dvadeset godina mjerenja nije dalo jedan obrazac
Istraživači su analizirali Swiftove podatke prikupljene između 2005. i 2024. godine te gama-mjerenja instrumenta LAT na teleskopu Fermi, dostupna od 2008. do 2024. Swift je pratio objekt u optičkom, ultraljubičastom i rendgenskom području, dok je Fermi mjerio gama-zračenje.
Najjednostavniji modeli pretpostavljaju da velik dio promjenjivog zračenja nastaje u jednome kompaktnom dijelu mlaza, uglavnom djelovanjem iste populacije vrlo energičnih elektrona. Takav pristup može objasniti pojedine kratke epizode, no pokazao se nedovoljnim za cijeli dvadesetogodišnji niz.
Između različitih dijelova spektra postoje veze, ali one nisu stalne. Promjene u optičkom, rendgenskom i gama-zračenju katkad se pojavljuju zajedno, no istraživači nisu pronašli trajan vremenski pomak koji bi vrijedio kroz cijelo razdoblje. Drugim riječima, odnos među signalima mijenja se od izboja do izboja.
Rendgensko zračenje bilo je najpromjenjivije. Kada bi PKS 2155−304 postao sjajniji u rendgenskom području, udio energičnijih rendgenskih fotona u pravilu je rastao. Ipak, taj se odnos razlikovao od godine do godine. Snažan rendgenski izboj iz 2024. imao je vrlo slab pandan u optičkom i gama-području, što dodatno govori protiv jednog stalnog i jednostavnog mehanizma.
Rendgenski trag iz 2012. pojavio se dok je izvor bio slab
Dva Swiftova mjerenja, provedena 28. i 29. travnja 2012., posebno su privukla pozornost. Blazar je tada u rendgenskom području bio otprilike dvostruko slabiji od svojega dugoročnog prosjeka, no spojeni podaci pokazali su izrazitu promjenu spektra pri energiji od 4,9 ± 0,2 kiloelektronvolta.
Pojednostavljeno, intenzitet rendgenskog zračenja prema višim energijama nije nastavio padati očekivanim tijekom. Spektralna se krivulja pri oko 5 keV okrenula prema gore, što upućuje na dodatnu komponentu zračenja.
Gama-zračenje koje je Fermi izmjerio u 16-dnevnom razdoblju oko tog datuma bilo je blizu dugoročnog prosjeka. U energetskom spektru ono se nije glatko nadovezalo na rendgenski višak. Fermijeva mjerenja nisu pokazala da se taj rendgenski višak glatko nastavlja u gama-zračenje. Autori zato smatraju da signal vjerojatno nije početak uobičajenog procesa kojim blazari stvaraju gama-zračenje. Mogao bi dolaziti iz drugog dijela mlaza ili iz procesa u kojima važnu ulogu imaju protoni.
Takav se rendgenski višak nije pojavio u drugim Swiftovim mjerenjima slične niske aktivnosti. To ga čini vrijednim metom za buduća istodobna promatranja u više područja spektra.
Protonski procesi su mogući, ali neutrini nisu otkriveni
Jedno od mogućih tumačenja uključuje hadrone, skupinu čestica kojoj pripadaju protoni i neutroni. U tom bi scenariju vrlo energični protoni u mlazu međudjelovali s okolnim fotonima te stvarali dodatne čestice i rendgensko zračenje.
Druga mogućnost je da se tijekom određenih stanja blazara vidi zasebno područje mlaza, s drukčijim magnetskim poljem, sastavom čestica ili uvjetima ubrzavanja. Autori ne mogu odlučiti između tih objašnjenja samo na temelju postojećih podataka.
Važno je razlikovati hipotezu od otkrića. Studija nije zabilježila neutrino iz PKS-a 2155−304 i ne dokazuje da taj blazar proizvodi kozmičke neutrine. Hadronsko tumačenje tek je jedno od mogućih objašnjenja rendgenskog viška. Blazari se proučavaju i kao mogući izvori visokoenergetskih neutrina, djelomično zbog veze između blazara TXS 0506+056 i IceCubeova događaja iz 2017. godine, no taj rezultat ne može se automatski prenijeti na PKS 2155−304. Više o takvim česticama pročitajte u ovom tekstu.
Autori ističu i ograničenje istraživanja. Fermi od 2008. gotovo neprekidno pregledava cijelo nebo, dok Swift pojedine objekte prati prema rasporedu i često tijekom aktivnijih razdoblja. Mirnija stanja blazara zato nisu jednako dobro zastupljena, što otežava precizno određivanje vremenskih veza među različitim vrstama zračenja.
Ipak, analiza je jasno izdvojila problem koji buduća mjerenja mogu izravno provjeriti. Ako se isti rendgenski višak ponovno pojavi, istodobna rendgenska polarimetrija, gama-mjerenja i promatranja drugih valnih duljina mogli bi pokazati potječe li iz zasebne zone mlaza ili iz procesa u kojima važnu ulogu imaju protoni. Za sada PKS 2155−304 ostaje objekt u kojem se vrlo konkretno vidi granica najjednostavnijeg objašnjenja.
