Dwie dekady obserwacji blazara PKS 2155-304. Zamiast odpowiedzi – nowe zagadki

Blazar PKS 2155-304 od blisko 20 lat znajduje się pod obserwacją astronomów. Analiza danych zebranych przez naukowców z Uniwersytetu w Heidelbergu i Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk pokazała, że obecne modele teoretyczne nie wyjaśniają w pełni zachowania tego niezwykle energetycznego obiektu. Wyniki badań otwierają nowe kierunki poszukiwań odpowiedzi na pytania o naturę blazarów i pochodzenie kosmicznych neutrin.

Blazary – aktywne galaktyki emitujące w kierunku Ziemi wąskie strugi materii – od lat pozostają jednym z największych wyzwań współczesnej astrofizyki. Ich ogromna odległość, specyficzna orientacja względem naszej planety oraz wyjątkowo zmienne promieniowanie, obejmujące niemal całe spektrum elektromagnetyczne, sprawiają, że ich natura wciąż nie została w pełni wyjaśniona.

Na pytanie, czy obecne modele opisujące te obiekty są rzeczywiście poprawne, postanowili odpowiedzieć naukowcy z Uniwersytetu w Heidelbergu oraz Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie. Polską część badań, finansowaną z grantu Narodowej Agencji Wymiany Akademickiej, poświęcono blazarowi PKS 2155-304, znajdującemu się około 1,5 miliarda lat świetlnych od Ziemi, na tle gwiazdozbioru Ryby Południowej.

Blazary – jedne z najbardziej ekstremalnych obiektów we Wszechświecie

W obserwowalnym Wszechświecie odkryto już setki miliardów galaktyk. Część z nich emituje ogromne ilości promieniowania elektromagnetycznego, prawdopodobnie w wyniku gwałtownych procesów zachodzących podczas opadania materii na centralną supermasywną czarną dziurę.

W niektórych galaktykach aktywność ta przybiera szczególnie spektakularną postać. Z okolic biegunów czarnej dziury wyrzucane są dżety – wąskie strugi zjonizowanej, świecącej materii, które mogą rozciągać się nawet na dziesiątki milionów lat świetlnych. Jeśli jeden z takich dżetów jest skierowany w stronę Ziemi, galaktyka jest klasyfikowana jako blazar.

Blazary emitują promieniowanie w niezwykle szerokim zakresie energii – od fal radiowych, przez światło widzialne i ultrafiolet, aż po promieniowanie rentgenowskie i gamma.

– Zmienność blazarów jest ich charakterystyczną, od dawna znaną cechą. Blazary potrafią emitować promieniowanie nie tylko w różny sposób podczas różnych obserwacji, ale nawet w ramach tej samej obserwacji, kiedy to w jednych zakresach energii zmiany mogą wyglądać inaczej niż w innych – zauważa dr hab. Alicja Wierzcholska (IFJ PAN), główna autorka długookresowych analiz obserwacji blazara PKS 2155-304.

PKS 2155-304 pod obserwacją przez niemal 20 lat

Choć obserwacje blazarów prowadzone są od kilkudziesięciu lat, trudno mówić o ich systematycznym monitoringu. Tak zmienne obiekty wymagałyby ciągłych obserwacji prowadzonych jednocześnie przez wiele instrumentów rejestrujących promieniowanie praktycznie w całym zakresie energetycznym. Obecnie jednak takie obserwatoria nie istnieją.

W praktyce oznacza to, że poszczególne blazary obserwowane są zwykle co kilka miesięcy lub lat, w ramach kampanii trwających od kilku do kilkunastu dni. Dane obejmują przy tym jedynie wybrane zakresy energii dostępne dla konkretnego instrumentu.

Tym razem naukowcy przeanalizowali materiał obejmujący niemal dwie dekady obserwacji blazara PKS 2155-304. Wykorzystano komplementarne dane z amerykańskich obserwatoriów satelitarnych Neil Gehrels Swift Observatory, rejestrującego promieniowanie optyczne, ultrafioletowe i rentgenowskie, oraz Fermi Gamma-ray Space Telescope, obserwującego promieniowanie gamma.

Obecne modele nie wyjaśniają zachowania blazara PKS 2155-304

– Podstawowy wniosek płynący z naszych analiz to spostrzeżenie, że obecnie najpopularniejsze modele teoretyczne, zakładające emisję promieniowania w obrębie jednej strefy dżetu przez jedną populację elektronów, potrafią opisywać zmienność naszego blazara tylko w małych przedziałach czasowych. Jednak w tym obiekcie najwyraźniej dzieje się coś bardziej skomplikowanego, czego krótkie kampanie obserwacyjne nie są w stanie uchwycić – mówi dr Wierzcholska.

Jednym z przykładów jest brak długookresowej korelacji pomiędzy zmianami promieniowania optycznego i rentgenowskiego. Gdyby za emisję w obu zakresach odpowiadała ta sama populacja elektronów, należałoby oczekiwać podobnych zmian – być może z niewielkim przesunięciem w czasie. Analiza danych z blazara PKS 2155-304 nie wykazała jednak takiej zależności.

Badacze zauważyli również nietypowe zachowanie podczas rozbłysków rentgenowskich. Zwykle wzrost jasności blazara jest silniejszy w bardziej energetycznej części widma, co oznacza większy udział fotonów twardego promieniowania X. W przypadku PKS 2155-304 takiego efektu nie zaobserwowano w ciągu 20 lat obserwacji.

Co prawda podobna korelacja pojawia się podczas krótszych okresów obserwacyjnych, jednak jej charakter jest odmienny – krzywe opisujące zmiany rozkładu mają różne współczynniki nachylenia. Sugeruje to, że za przebieg każdego rozbłysku blazara PKS 2155-304 mogą odpowiadać nieco inne mechanizmy fizyczne.

Tajemnicze przegięcie widma

Analiza przyniosła jeszcze jedną niespodziankę. Widma energetyczne blazarów mają charakterystyczny kształt z dwoma maksimami rozdzielonymi łukowatym zagłębieniem. Za maksimum niskoenergetyczne odpowiadają najprawdopodobniej elektrony emitujące promieniowanie synchrotronowe. Znacznie mniej jednoznaczne pozostaje wyjaśnienie maksimum wysokoenergetycznego.

Może ono powstawać wskutek odwrotnego rozpraszania comptonowskiego, czyli zderzeń elektronów z niskoenergetycznymi fotonami prowadzących do wzrostu energii tych ostatnich. Nie można jednak wykluczyć, że odpowiadają za nie procesy z udziałem hadronów, takich jak protony i neutrony.

Szczególnie interesujące okazały się dwie obserwacje wykonane w 2012 roku. W widmie blazara PKS 2155-304 pojawiło się wtedy dodatkowe, statystycznie istotne przegięcie.

– Obecność nowego przegięcia w widmie blazara mówi nam, że w trakcie dwóch obserwacji musiał działać jakiś dodatkowy mechanizm fizyczny – i to w czasie, gdy nie było żadnego rozbłysku! Z różnych rozważań teoretycznych można wyciągnąć wniosek, że mechanizm ten najprawdopodobniej miał charakter hadronowy. To niezwykle ciekawe, ponieważ teoretycy coraz częściej przekonują, że w takich sytuacjach możliwa jest produkcja neutrin – wyjaśnia dr Wierzcholska.

Czy blazary są źródłem kosmicznych neutrin?

Neutrina to cząstki o bardzo małej masie, licznie występujące we Wszechświecie, lecz niezwykle słabo oddziałujące ze zwykłą materią. Na Ziemi obserwuje się neutrina powstające podczas rozpadów promieniotwórczych we wnętrzu naszej planety, docierające ze Słońca, a także wysokoenergetyczne neutrina przybywające z głębi kosmosu.

Pochodzenie tych ostatnich wciąż pozostaje niewyjaśnione. Zarówno przesłanki teoretyczne, jak i obserwacyjne – w szczególności wykrycie neutrin nadlatujących z kierunku blazara TXS 0506+056 podczas silnego rozbłysku tego źródła – wskazują, że to właśnie blazary mogą być źródłem kosmicznych neutrin.

Część obliczeniową opisywanych badań zrealizowano dzięki Akademickiemu Centrum Komputerowemu Cyfronet AGH.

Publikacja naukowa

„20 years of monitoring: PKS 2155-304 and PKS 1510-089 in the eyes of Swift and Fermi. I. The case of PKS 2155-304”, A. Wierzcholska, M. Zacharias, Journal of High Energy Astrophysics 2026, 54, 100688. DOI: 10.1016/j.jheap.2026.100688

Fot. Artystyczna wizja blazara – aktywnej galaktyki emitującej strugi promieniowania i materii w kierunku Ziemi. (Źródło: NASA/JPL- Caltech)