Релятивистские струи: потоки частиц от самых ярких объектов во Вселенной

Как образуются квазары

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.

Как ученые исследуют квазары

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.

Механизм образования джетов

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. 

Галактика М87

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.

Нестабильности Кельвина — Гельмгольца

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.

Нейтрино и квазары

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)}