Квазары, представляющие собой активные ядра галактик, — наиболее мощные из известных источников излучения во Вселенной. Их светимость значительно превышает светимость всех звезд родительской галактики, за счет чего их можно наблюдать на огромных расстояниях. Они являются одними из самых пристально наблюдаемых объектов на небе и по сути являются всеволновыми объектами излучения за счет их недавней ассоциации с нейтрино сверхвысокой энергии. Поэтому изучение таких астрофизических объектов касается всех разделов физики. При поддержке Российского научного фонда об этом астрономическом явлении рассказывает астрофизик, к. ф.-м. н., старший научный сотрудник МФТИ, АКЦ ФИАН Евгения Васильевна Кравченко.
The post Релятивистские струи: потоки частиц от самых ярких объектов во Вселенной appeared first on Хайтек.
Является уже признанным факт, что активность квазаров обусловлена сверхмассивными черными дырами (СМЧД) в центре с массами доходящими до нескольких миллиардов масс Солнца. За счет притяжения вещество падает на центральную СМЧД. Из-за большого углового момента вещество не может напрямую падать в дыру, оно движется по спиральным траекториям в виде плоского диска, создавая вокруг СМЧД аккреционный диск. Скорее всего, большинство СМЧД быстро вращаются, что обусловлено их эволюцией. Часть вещества выбрасывается из нее и порождает джеты, которые простираются на тысячи световых лет или сотни парсек. Образование джетов обеспечивает отведение момента импульса черной дыры, поддерживая высокую эффективность аккреции. Одновременно рождается два биполярных противонаправленных джета — струи плазмы, движущейся со скоростью, близкой к скорости света, формирующихся вдоль оси вращения сверхмассивной черной дыры, или перпендикулярно аккреционному диску. За счет того, что ученые видят активные галактики, наклоненные под малым углом к лучу зрения (меньше 10 градусов), излучение от джета, направленное от земли, значительно подавляется.
Базовая методика исследований квазаров — радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами (РСДБ), предложенная советскими учеными Львом Матвеенко, Николаем Кардашевым и Геннадием Шоломицкий в 1965 году. Этот метод позволяет совмещать наблюдения разных обсерваторий, находящихся на большом удалении друг от друга, в том числе в космосе, тем самым создавая единый гигантский радиотелескоп.
Значение далеких активных галактик в совокупности с РСДБ-методикой крайне важно для практических задач астрометрии и геодезии: при использовании ядер активных галактик для построения высокоточной инерциальной системы отсчета нового поколения, связанной с этим точности измерения параметров вращения Земли и, соответственно, решения задач земной и космической навигации в рамках российских систем глобального позиционирования ГЛОНАСС и следующего поколения «Сфера» (проект российской глобальной многофункциональной инфокоммуникационной спутниковой системы). Более того, квазары используются в прогнозе космической погоды, которая влияет на земную и космическую электронику. Например, программа BSA-SpaceWeather по предсказанию прихода к Земле выбросов корональной массы или коротирующих структур по наблюдениям квазаров в метровом диапазоне длин волн на базе Пущинской радиоастрономической обсерватории Астрокосмического центра ФИАН.
В настоящий момент наблюдения активных ядер галактик вышло на качественно новый уровень. Эта возможность появилась у астрофизиков с развитием радиоинтерферометров на высоких частотах с обсерваториями по всему миру (Телескоп горизонта событий) с выходом в космос (проект «РадиоАстрон»), позволяя рассмотрение структур струй в деталях. Вторая особенность состоит в накопленном наблюдательном материале, представляющем собой ряды РСДБ-данных длинной более чем 20 лет и дающем возможность регистрировать периодические события. На основе этого за последние несколько лет были представлены принципиально новые результаты по формированию и активности релятивистских струй и плазмы в непосредственной близости от СМЧД. Одни результаты указывают на правильность уже ставших стандартными теорий струй, а другие ставят под сомнение наши понимание о их формировании и распространении.
Самым признанным фактом является определяющая роль в образовании джета магнитного поля, показанная в 2001 году и отвечающая за это магнитная гидродинамика. Таким образом, в основном магнитное поле ответственно за запуск, устойчивость струи к разрушению внешней средой и очень сильную коллимацию (направленность) струи. Размер сечения конуса джета составляет около 1 градуса до расстояний несколько килопарсек от СМЧД. То есть это тонкая полосочка на небе. На больших масштабах по мере замедления и потери энергии на излучение джеты становятся более диффузными, теряют коллимацию и разрушаются.
Один из стоящих фундаментальных вопросов — черпается ли энергия джетов из поглощенного черной дырой вещества или же ее источником является энергия вращения самой дыры. Лучшие теоретические объяснения того, как работают квазары, даны астрофизиками Роджером Блендфордом и Романом Знаеком в 1977 году, хотя эта модель непрерывно дополняется.
Механизм Блендфорда — Знаека таков. Вещество вокруг дыры превращается в сильно намагниченную плазму, которая течет по магнитным силовым линиям. За счет вращения ЧД силовые линия поля закручиваются в «жгуты» в направлении, перпендикулярном вращению. Электромагнитное поле вокруг дыры изменяется магнитосферными токами. Часть энергии такого выброса отнимается у самой дыры, замедляя ее вращение. Поскольку эргосфера заставляет магнитосферу внутри нее вращаться, выходящий поток момента импульса приводит к извлечению энергии из черной дыры. Процесс Блэнфорда — Знаека требует наличия аккреционного диска с сильным полоидальным магнитным полем вокруг вращающейся черной дыры.
Существует альтернативная модель, предложенная Роджером Блендфордом и Дэвидом Пейном, которая предполагает, что часть энергии джет получает от аккреционного диска в виде ветра (именно так образуется торнадо). Однако непонятно, что именно загоняет вещество во внутренние окрестности СМЧД. Вероятно, давление внешней среды — пыли и газа.
Последние результаты наблюдений указывают на то, что, скорее всего, оба сценария работают одновременно.
Другой более загадочный вопрос о том, из чего состоит джет. В его спектре нет излучения линий, соответствующих какому-нибудь веществу. Поэтому предполагается самый простой состав струй — нетепловая электрон-позитронная плазма, которая течет вдоль силовых электромагнитных линий. Недавняя ассоциация квазаров с нейтрино высоких энергий и экстремально высокие яркостные температуры в основании джетов указывают на то, что должны присутствовать релятивистские протоны. То есть джет должен быть тяжелее, чем мы думаем.
Сверхгигантская эллиптическая галактика М87 в созвездии Девы является одной из самых пристально наблюдаемых на небе и рекордсменом по полученным результатам в области исследований СМЧД и релятивистских струй. Это возможно за счет того, что радиогалактика находится на довольно близком расстоянии от Земли, 16.5 Мпк. И то, что в ее центре находится сверхмассивная черная дыра, которая в 6,5 миллиардов раз массивнее Солнца. Это первый объект за пределами нашей Галактики, в котором в 1918 году был обнаружен релятивистский джет, который простирается на 4 900 световых лет.
Чтобы представить такой масштаб, лучше всего взять за пример размер нашей Солнечной системы. Расстояние от Солнца до Плутона составляет 39 астрономических единиц, а гравитационный размер горизонта событий черной дыры галактики М87 — 120 астрономических единиц. Таким образом, она больше нашей Солнечной системы в целом. А теперь представьте джет, который распространяется на расстояния в 10 миллионов раз больше, достигая нескольких сотен парсеков (1 парсек = 3,09 х 10^16 метра).
Так, в 2017 году коллаборация Телескопа горизонта событий представила первое радиоизображение тени черной дыры именно в центре М87, которое наверняка многие из вас видели. Оно показало, что бублик на изображении идеально согласуется нашим модельным представлением поведения света вокруг СМЧД, доказывая, что последняя существует.
Однако количество СМЧД в окрестности Земли существенно ограничено, поэтому подобные изображения возможно получить едва для дюжины активных галактик, и то только на базе проектируемых радиоинтерферометрических систем.
Также в М87 нами недавно было опубликовано другое открытие. Используя длинный ряд РСДБ-наблюдений джета радиогалактики, было обнаружено, что его направление меняется квазипериодически во времени. Для описания наблюдаемой эволюции была использована модель, в которой ось вращения аккреционного диска немного наклонена к оси вращения черной дыры. Вращение массивной черной дыры влияет на окружающее пространство-время, приводя к прецессии аккреционного диска, которая распространяется и на джет из-за тесной связи между ним и аккреционным диском. Этот эффект известен как прецессия Лензе — Тирринга, предсказываемая общей теорией относительности Эйнштейна и наблюдаемого вблизи вращающихся массивных тел. Его величина — примерно одна часть из нескольких триллионов. Чтобы его обнаружить, необходимо исследовать очень массивный объект, и активное ядро галактики М87 наилучшим образом подходит для этого.
Обнаружение прецессии джета М87 служит убедительным доказательством того, что СМЧД вращается. Вероятно, такая прецессия имеет общий характер в квазарах, но ее сложно увидеть из-за небольшой величины и длительного периода наблюдений.
Существенно новые результаты были нами получены по структуре джетов квазаров.
Так, по анализу наблюдений довольно близкого квазара 3C279 в рамках международной обсерватории «РадиоАстрон», ответственной организацией которого являлся АКЦ ФИАН, была получена самая четкая на настоящий момент радиокарта его джета. Оказалось, что канал струи не является однородным и представляет собой набор тонких спиральных нитей, как будто заплетенных в косу. Моделирование показало, что эти нити в 3C279 вызваны плазменными нестабильностями, развивающимися в струйной плазме. В результате привычная нам теория более широкого однородного канала, используемая для объяснения эволюции релятивистских струй, в этом случае не работает. Необходимы новые теоретические модели, которые смогут объяснить, каким образом подобные спиральные образования формируются в самом начале струи. Также этот результат показывает наше слабое понимание того, где происходит нагрев плазмы, которая потом дает наблюдаемое излучение.
Не менее впечатлительный подобный результат был получен в уже знакомой нами галактике М87. На основе анализа наблюдений на самых мощных телескопах нам удалось построить четкое радиоизображение струи в М87 на частотах 8 и 15 ГГцс очень высоким динамическим диапазоном, в результате чего мы увидели минимально слабый поток в деталях. Это изображение открыло перед нами неоднородную структуру джета на масштабах, где происходят его активная коллимация и ускорение. Она также напоминает узор в виде сплетенной косы спиральных волокон. Их моделирование показвает, что закручивание центральных волокон вызвано нестабильностями Кельвина — Гельмгольца, развивающимися в плазменной струе. Скорее всего, такая структура волокон обусловлена физическими процессами в непосредственной близости от черной дыры, как, например, упомянутая ранее прецессия джета.
В 2017 году впервые в истории была подтверждена связь нейтрино сверхвысокой энергии (290 ТэВ), зарегистрированного нейтринным телескопом IceCube в Антарктиде, с блазаром (сильно переменный квазар) TXS 0506+056. В результате активные ядра галактик стали третьим в истории подтвержденным космическим источником нейтрино после Солнца и сверхновой SN 1987A.
Вопрос о месте и процессе, в котором происходит рождение таких нейтрино, в настоящий момент является загадкой. Одни модели предполагают, что протоны, являющиеся основными источниками образования нейтрино, есть в самой струе. Это могут быть события магнитного пересоединения силовых линий в плазме, что сопровождается высвобождением свободной магнитной энергии, и ее преобразованием в тепловую и кинетическую энергию частиц, которые могут ускоряться вплоть до ультрарелятивистских скоростей. Протоны также могут захватываться самим джетом за счет развития нестабильностей на его границе при взаимодействии с окружающим более плотным веществом.
Недавний анализ данных с антарктической обсерватории IceCube показал ассоциацию нейтрино с близкой активной галактикой NGC 1068. Предполагается, что процессы, приводящие к образованию нейтрино, должны сопровождаться генерацией γ-излучения. Наблюдаемый малый поток γ-излучения от NGC 1068 указывает на то, что среда, в которой образуются нейтрино, непрозрачна для гамма-лучей энергий в диапазоне ГэВ-ТэВ. Самый лучший кандидат — это корона, расположенная над аккреционным диском в самом ядре активной галактики. Она представляет собой горячую и плотную плазму, оптически непрозрачную для гамма-излучения, и обеспечивает эффективное производство нейтрино высокой энергии.
В настоящее время это направление является одним из самых интересных и бурно развивающихся. К сожалению, у астрофизиков имеется не так много методов прямого исследования окрестностей СМЧД из-за их ничтожных размеров этих областей. Думаю, в этом направлении нас ждет много сюрпризов и открытий в ближайшие несколько лет.
Так, например, в настоящее время в России успешно реализуется проект космической обсерватории «Спектр-РГ» («рентген-гамма»), ведущей организацией является ИКИ РАН. На текущий момент это одна из лучших рентгеновских обсерваторий на ближайшие десятилетия. За счет большого поля зрения «Спектр-РГ» делает полный обзор неба с рекордной чувствительностью. Это позволяет исследовать горячие области в окрестности СМЧД-активных галактик.
Также благодаря успеху наземно-космического интерферометра «РадиоАстрон», работавшего с 2011 по 2019 гг и летавшего на высокоэллиптичной орбите вокруг Земли, активно развивается космическая миссия МиллиМетрон. Базовая организация «РадиоАстрон» и «МиллиМетрон» — АКЦ ФИАН. Этот проект в том числе позволит узнать, существуют ли в центрах квазаров кротовые норы, а не черные дыры. Это теоретически предсказываемая червоточина, представляющая собой тоннель в пространстве, который может связывать различные области нашей Вселенной.
Таким образом, важно и интересно изучать как детально отдельные квазары, так и большие выборки активных галактик в совокупности.
Обложка: NASA, ESA, and J. Olmsted (STScI)
The post Релятивистские струи: потоки частиц от самых ярких объектов во Вселенной appeared first on Хайтек.
