Считается, что все крупные галактики содержат сверхмассивные чёрные дыры (СМЧД). Когда чёрные дыры активно аккрецируют вещество и излучают радиацию, астрофизики называют их активными галактическими ядрами (АГЯ). Некоторые АГЯ излучают релятивистские струи, потоки ионизированного вещества, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света. Когда эти мощные струи направлены в нашу сторону, мы называем их блазарами.
Блазары — это экстремальные и загадочные объекты, и у астрофизиков есть много нерешённых вопросов, связанных с ними. Механизмы, лежащие в основе их струй, плохо изучены. Какую роль играют магнитные поля? Как ускоряются частицы в струях, чтобы излучать гамма-лучи? Как они излучают нейтрино? Некоторые струи простираются на тысячи световых лет, но при этом изменяются в масштабах времени, короче нескольких минут. Что является причиной этого?
Новое исследование в области астрономии и астрофизики даёт ответ на один из самых сложных вопросов. Оно называется «Исследование конуса струи нейтрино-ассоциированного блазара PKS 1424+240 с очень высокой энергией». Ведущим автором является Юрий Ковалёв, главный исследователь проекта MuSES в Институте радиоастрономии имени Макса Планка (MPIfR). MuSES расшифровывается как «Мультимессенджерные исследования внегалактических суперколлайдеров» и направлен на изучение струй АГЯ – того, как они формируются, коллимируются, производят нейтрино и ускоряют частицы.
PKS 1424+240 — это медленно движущийся блазар, который может быть одним из самых ярких источников нейтрино и высокоэнергетических гамма-лучей из когда-либо обнаруженных. Его также называют объектом BL Lacertae или просто BL Lac, по имени его прототипа BL Lacertae. Объекты BL Lac известны «большой амплитудой изменчивости потока и значительной оптической поляризацией». Они также известны своими почти «безликими» спектрами, что отличает их от других AGN, которые демонстрируют линии излучения от своего горячего газа.
PKS 1424+240 находится на расстоянии в несколько миллиардов световых лет от нас, и, несмотря на то, что он является предметом многочисленных научных исследований, он по-прежнему остаётся загадкой. Несмотря на нейтрино и высокоэнергетические гамма-фотоны, которые он излучает, его струя движется довольно медленно. Это противоречит ожиданиям, что самые быстрые струи должны быть самыми энергичными и яркими.
На это ушло 15 лет, но астрономы, использующие Very Long Baseline Array (VLBA) в Нью-Мексико, собрали воедино изображение струи с самым высоким разрешением, которое когда-либо достигалось.
«Когда мы восстановили изображение, оно выглядело просто потрясающе, — сказал ведущий автор Ковалёв в пресс-релизе. — Мы никогда не видели ничего подобного — почти идеальное тороидальное магнитное поле со струёй, направленной прямо на нас».
Оказалось, что струя направлена почти точно на Землю, из-за чего видимая яркость излучения становится больше. «Наши наблюдения раскрывают редкий сценарий. Объект виден внутри конуса струи, очень близко к оси его релятивистской струи, с углом обзора < 0,6°», — объясняют авторы в своём исследовании.
«Такое выравнивание приводит к увеличению яркости в 30 раз и более, — объясняет Джек Ливингстон, соавтор из MPIfR. — В то же время струя кажется медленно движущейся из-за эффектов проекции — классической оптической иллюзии».
Чтобы заглянуть прямо в струю, требуется почти идеальное выравнивание. Поляризованные радиосигналы от струи позволяют исследователям составить карту структуры магнитного поля, показывающую, что оно, вероятно, является тороидальным. Эта структура может позволять струе ускорять частицы до таких чрезвычайно высоких энергий.
«Решение этой загадки подтверждает, что активные ядра галактик со сверхмассивными чёрными дырами являются мощными ускорителями не только электронов, но и протонов — а также источником наблюдаемых высокоэнергетических нейтрино», — заключает Ковалёв. Ускоренные протоны не производят нейтрино напрямую, но они находятся в начале цепочки событий, которые приводят к появлению нейтрино.
Это исследование является результатом программы наблюдений MOJAVE (Monitoring Of Jets in Active galactic nuclei with VLBA Experiments) Национальной радиоастрономической обсерватории (NRAO). MOJAVE — это долгосрочная программа наблюдения за струями активных галактических ядер (AGN), которые изменяются по поляризации и радиояркости. Некоторые из её объектов наблюдаются уже 30 лет. Эти результаты в точности соответствуют тому, чего пыталась достичь MOJAVE.
«Когда мы начинали MOJAVE, идея о том, что однажды удастся напрямую связать далёкие струи чёрных дыр с космическими нейтрино, казалась научной фантастикой. Сегодня наши наблюдения делают это реальностью», — говорит Антон Зензус, директор MPIfR и соучредитель программы.