Поймать хвост ящерицы

На днях «Радиоастрон» достиг самого высокого на сегодняшний день углового разрешения, когда-либо полученного при астронаблюдениях — 21 угловая микросекунда. Наблюдения помогли лучше изучить строение джетов блазара из созвездия Ящерицы BL Lac, — это переменный внегалактический источник, в центре которого находится черная дыра. Исследования таких источников исключительно интересны не только астрофизикам, но и физикам вообще. Частицы в джетах черных дыр разгоняются до таких энергий, которые пока недостижимы в наземных ускорителях вроде БАКа. Изучение механизмов образования этих «ускорителей для бедных» (по меткому выражения академика Якова Зельдовича) помогает заглянуть за край наших знаний физики высоких энергий.

Разрешение

Проект «Радиоастрон», основной элемент которого - это российский космический радиотелескоп (КРТ), стартовал в 2011-м году. Помимо орбитального радиотелескопа в систему входят наземные телескопы России, Европы, Австралии и Америки, создающие базу, равную 8 диаметрам Земли, а также приемные станции и центры обработки сигналов. «Радиоастрон» уже поучаствовал в наблюдениях за квазарами, пульсарами, помог уточнить параметры межзвёздной среды, и вот недавно в журнале Astrophysical Journal появилась новая статья про исследования области формирования джетов у блазара BL Lac

Для исследований ярких и компактных источников, таких как пульсары, активные ядра галактик, отдельные элементы джетов, «Радиоастрон» подходит как нельзя лучше. Работа в связке с наземными телескопами в режиме радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами позволила десятиметровому телескопу добиться непревзойденного разрешения в 21 микросекунду угловой дуги, — а это угловой размер спичечного коробка на поверхности Луны, если смотреть на него с Земли.

Принцип радиоинтерферометрии состоит в том, что два телескопа, разнесенные на значительные расстояния друг от друга, наблюдают один и тот же объект, и чем дальше телескопы друг от друга, тем сильнее отличается длина пути, которую должен пройти сигнал от источника, чтобы попасть в каждый телескоп. Вот эти временные задержки тщательно измеряются и позволяют установить координаты источника с высочайшей точностью.

Однако, десятиметровая антенна КРТ налагает свои ограничения — ее собирающая поверхность мала и подходит только для самых ярких источников. Именно таких, как центральная часть активных ядер галактик, где все происходящие процессы определяются поведением сверхмассивной черной дыры. Кроме того, сильно вытянутая орбита КРТ ведет к тому, что максимально разрешение достигается только в одном направлении (см. рисунок сравнения изображений наземного радиотелскопа и КРТ ниже). Несмотря на выход из строя одного из четырех приемников, вот уже четыре года «Радиоастрон» ведет наблюдения за яркими источниками радиоизлучения в рамках основной научной программы.

Блазары

В ноябре 2013 года космический радиотелескоп, работая попарно в связке с 15 наземными телескопами (изначально их должно было быть 26, но из-за технических проблем часть телескопов не использовали), в том числе Эффельсбергом (Германия), обсерваторией Светлое, обсерваторией Кит Пик (США), а также радиотелескопом на вершине гавайской горы Мауна Кеа и радиотелескопом обсерватории «Зеленчукская», провел поляриметрические наблюдения объекта BL Lac, который сам по себе достоин короткого рассказа.

Блазары – это редкий тип внегалактических объектов, который объединяет некоторые из квазаров и лацертиды. Основная их особенность – джет, направленный на нас или почти на нас (джет блазара BL Lac отклонен всего на 8 градусов в сторону). Электромагнитное излучение блазара сильно меняется во всех диапазонах – от радио до гамма, а периодическое падение его интенсивности может быть стократным. Название «блазар» получилось при совмещении имени первого подобного объекта – BL Lacertae (или BL Ящерицы) и слова «квазар». Тогда выяснилось, что BL Lac, несмотря на свою сильную переменчивость, никак не может быть звездой, а совсем наоборот – это активное ядро далекой галактики. Примечательно, что «Радиоастрон» наблюдал BL Lac, то есть именно тот объект, который дал название всем блазарам.

Все блазары обнаруживаются в сравнительно тихих радиогалактиках, а характерной особенностью их излучения является отсутствие эмиссионных линий и нетепловой характер спектра. Такие свойства присущи синхротронному излучению. Механизм такого яркого излучения понятен в общих уже довольно давно: падение газа на сверхмассивную чёрную дыру, которая скрывается в центре активного ядра галактики (АЯГ), разогревает вещество и выделяется энергия, которую чёрная дыра поглотить на в силах. 

Избыток энергии и сильные магнитные поля в окрестностях черной дыры приводят к формированию релятивистских струй (джетов), выбрасывающих вещество с околосветовыми скоростями. Ответственным за формирования этих струй является мультипольное магнитное поле (то есть более сложной формы, чем простой диполь), которое появляется из-за дифференциального вращения аккреционного диска вокруг чёрной дыры.

Теоретическое обоснование этого механизма было изложено в знаменитой статье Блендфорда и Знаека 1977 года. В соответствии с ним наблюдатели должны видеть систематическое изменение магнитного поля в самом джете. Провести такие наблюдения технически довольно трудно, потому что магнитные поля разной природы буквально пронизывают окрестности активного ядра галактики. И нужно иметь очень высокое угловое разрешение, чтобы измерить именно те из них, которые порождают джеты. Только сейчас у ученых появились инструменты, которые позволяют заглянуть в эту область чтобы подтвердить или опровергнуть механизм Блендфорда-Знаека. И одним из них стал «Радиоастрон».

В статье, принятой к публикации в престижный Astrophysical Journal, речь идёт о том, как радионаблюдения со сверхвысоким разрешением позволили увидеть сложную структуру джета, в которой идентифицированы отдельные компоненты, образующиеся при продвижении разогнанного до релятивистских скоростей вещества сквозь разреженную среду. Расположение и яркость этих компонентов совпадают с релятивистскими магнитогидродинамическими (РМГД) симуляциями, выполненными этой же научной группой. Симуляции предсказывают возникновение в джетах так называемых реколлимационных шоковых волн (то есть таких, которые распространяются в среде, сохраняя свою структуру, не «расползаясь»). Судя по данным «Радиоастрона», эти шоковые волны действительно существуют в джетах.

Кроме того, после измерения яркости внутренних компонентов джета ученые получили предел яркостной температуры (которая по определению равна температуре абсолютно черного тела, если бы оно излучало столько же энергии на этих длинах волн). Получившаяся гигантская температура – не менее 2,9 триллионов (10¹²) кельвин. Однозначно переводить ее в температуру плазмы нельзя, ведь эта величина не только зависит от толщины джета, который мы используем в модели, но, как и все наблюдаемые на таких скоростях явления, подвержена влиянию релятивистского эффекта Доплера. Однако, она может установить нижнюю границу температуры. И эта нижняя граница ставит очень важные вопросы о механизмах, ответственных за ускорение частиц в джетах. 

Авторы недавней статьи про картографирование джета галактики Pictor A приходят к похожим выводам – обратное комптоновское рассеяние (то есть увеличение частоты фотонов при взаимодействии с релятивистскими электронами) не может быть причиной столь высокой температуры. Ученые, работающие в проекте «Радиоастрон», из своих наблюдений делают несколько более осторожные, но более глобальные выводы. Если их подсчеты доплеровского фактора верны, то истинная яркостная температура ядра джета может достигать 50 триллионов кельвин. А это ставит под сомнение бóльшую часть моделей, в которых формирования джетов происходит с помощью синхротронного излучения исключительно электронами. Если расчеты авторов подтвердятся, может потребоваться переработка существующих моделей и добавление влияния влияния релятивистских протонов. А протон, как известно, в 1836 раз тяжелее электрона и требуется совершенно гигантская энергия, чтобы разогнать его до околосветовых скоростей.

Однако не все наблюдения «Радиоастрона» принесли плохие новости теоретикам. Например, модель винтового магнитного поля, предложенная астрофизиком Лейнгом в 1981-м году, подтвердилась – крупномасштабные винтовые поля, образующиеся при вращении чёрной дыры и аккреционного диска, должны привести к появлению именно таких симметрических образований, какие и были обнаружены у оснований джетов.

Нынешняя публикация — первая в серии научных статей по результатам наблюдений за внутренними областями нескольких блазаров, в том числе квазаров и радиогалактик. Основная проблема при работе с «Радиоастроном», где используются данные 26 радиотелескопов – свести все эти данные воедино. Ведь именно измерение запаздывания сигнала является основным преимуществом метода РСДБ по сравнению с наблюдениями на каком-то одном телескопе. После того, как эта — наиболее трудоемкая — работа выполнена, уже можно приступать к чистке шумов, поляризационным калибровкам и т.д.

Так что неудивительно, что между наблюдением и выходом статьи прошло почти два года – стандартные процедуры работы с «Радиоастроном» еще обкатываются, так что в ближайшем будущем можно ждать появления новых работ. Часть из них, в том числе по уточненному сравнению измеренного эффекта Фарадея с полученными РМГД-симуляциями, уже была анонсирована в этой статье и сейчас готовится к публикации. Кроме того, сейчас идет процесс численного моделирования джета блазара с использованием новых данных «Радиоастрона». Это должно дать уточненные параметры числа Маха для среды, в которой распространяется джет, изменения давления в этой среде, формы и силы магнитного поля.

Марат Мусин