Телескоп IXPE обнаружил поляризацию рентгеновского излучения молекулярных облаков в центре Галактики

Молекулярные облака очень холодные, так что сложно ожидать, что они будут излучать в рентгеновском диапазоне. Однако в 1990-х годах прибор АРТ-П обсерватории ГРАНАТ (Россия) и ASCA (Япония) обнаружили жесткое рентгеновское излучение, коррелированное с распределением молекулярного газа в центральной области нашей Галактики. Форма полученного спектра напоминала «отраженное» излучение в активных галактических ядрах или рентгеновских двойных системах, где относительно холодный аккреционный диск освещается ярким центральным источником, питаемым веществом, падающим на черную дыру. Это отраженное излучение обычно состоит из очень жесткого континуума, связанного с комптоновским рассеянием, и яркой флуоресцентной линии железа.

Именно такое излучение наблюдалось от облаков молекулярного газа в центре нашей Галактики. Однако в окрестности этих облаков сейчас нет источника достаточно яркого, который мог бы их облучать. Поэтому учеными ИКИ в 1993 г. была высказана гипотеза, что такой источник был ярким в прошлом — несколько сотен лет назад, а сейчас не виден. Главный кандидат на эту роль — черная дыра с массой 4 миллиона солнечных в центре Млечного Пути, которая имеет обозначение Стрелец A* (или Sgr A*). Хотя сейчас Sgr A* светит в рентгеновских лучах очень слабо, потенциально он может производить в миллиард раз больше фотонов рентгеновского излучения, если темп аккреции вещества увеличится. В этом случае даже вспышки продолжительностью всего несколько часов будет достаточно, чтобы объяснить все наблюдаемое сегодня излучение от молекулярных облаков.

Если этот сценарий «отраженного» излучения верен, то из него следует несколько выводов. Во-первых, мы должны наблюдать кажущиеся сверхсветовые движения, которые, действительно, были обнаружены рентгеновскими обсерваториями Chandra (NASA), XMM-Newton (ESA) и ИНТЕГРАЛ (ESA, в жестких рентгеновских лучах). Второе теоретическое предсказание — поляризация наблюдаемого излучения при томсоновском рассеянии. Степень поляризации зависит от угла рассеяния, а ориентация плоскости поляризации перпендикулярна направлению на первичный источник.

Следовательно, обнаружив поляризацию, можно не только получить окончательное доказательство природы рентгеновского излучения молекулярных облаков, но и проверить, пришло ли первичное излучение со стороны объекта Sgr A* (по плоскости поляризации) и определить время, когда произошла вспышка (по степени поляризации). Эскиз геометрии проблемы и связанного с ней поляризационного сигнала показан на рисунке.

Но до недавнего времени измерять поляризацию рентгеновского излучения было очень трудно — существовавшие космические обсерватории не могли это делать. Первым достаточно чувствительным космическим рентгеновским поляриметром стал IXPE (NASA, ASI, запущен в декабре 2021 г.) — это новый тип рентгеновского поляриметра, который основан на фотоэлектрическом эффекте — траектории фотоэлектронов зависят от направления поляризации ионизующего рентгеновского излучения. Позиционно-чувствительный газовый детектор фиксирует эту зависимость. Эта новая технология обеспечивает гигантский скачок в чувствительности, необходимой для обнаружения слабого диффузного излучения молекулярных облаков Галактического центра.

Первые наблюдения IXPE областей Галактического центра были проведены в феврале и марте 2022 года. Почти одновременно эту же область наблюдала обсерватория Chandra. На изображениях, полученных обсерваториями Chandra и IXPE, хорошо видно диффузное излучение. А спектр этого излучения содержит компоненту, характерную для эффекта отражения.

Что же телескоп IXPE может добавить к данным Chandra и XMM-Newton? Показать, что это излучение поляризовано! Из анализа поляризованного сигнала был сделан вывод, что степень поляризации составляет 31+/-11 %. Это фиксирует угол рассеяния и, следовательно возраст вспышки — около 200 лет назад. В то же время наблюдаемое направление поляризации согласуется с ожидаемым сигналом от рассеяния излучения мощнейшего (в прошлом) источника, совпадающего в пределах ошибок с положением Sgr A*.

Таким образом, данные IXPE подтверждают гипотезу о том, что именно Sgr A* является первичным источником излучения, рассеиваемого молекулярными облаками.

Это замечательный результат, но есть еще много вопросов, ответ на которые пока не известен. Например, была ли это одиночная вспышка или их было много? Поляризовано ли первичное излучение? Уже запланированы следующие наблюдения IXPE, которые помогут ответить на эти и многие другие вопросы.