У глибокому космосі астрономи виявили «око Саурона»

Погляд у горловину активної галактики відкрив кільцеподібні магнітні поля. Середовище, яке діє як пружина та може прискорювати частинки до високих енергій, може пояснити випромінювання блазарами нейтрино та високоенергетичні гамма-промені.

Про відкриття розповідають в Товаристві ім. Макса Планка, передають OstanniPodii.com.

Блазар — це тип активного ядра галактики, у якої один з джетів (струменів плазми, підживлюваних надмасивною чорною дірою) спрямований в сторону Землі з невеликим відхиленням.

Один з них, розташований за мільярди світлових років від нас, з назвою PKS 1424+240, тривалий час спантеличував астрономів. Він виділявся на небі як найяскравіший з відомих блазарів, що випромінюють нейтрино, — як ідентифікувала обсерваторія нейтрино IceCube — і також світився дуже високоенергетичними гамма-променями, які спостерігали наземні черенковські телескопи. Однак, на диво, його радіоджет начебто рухається повільно. Це суперечило очікуванням, що тільки найшвидші джети можуть забезпечувати таке інтенсивне випромінювання високої енергії.

Зараз, завдяки 15 рокам надточних радіоспостережень за допомогою Антенного масиву дуже великої бази (VLBA), дослідники змогли скласти глибоке зображення цього джета з безпрецедентною роздільною здатністю.

«Коли ми відтворили зображення, воно виглядало абсолютно приголомшливо», — сказав Юрій Ковальов з Інституту радіоастрономії імені Макса Планка (MPIfR), головний автор дослідження, опублікованого в журналі «Astronomy & Astrophysics»

Він додав: «Ми ніколи не бачили нічого подібного — майже ідеального тороїдального магнітного поля з джетом, спрямованим прямо на нас».

Оскільки джет спрямований майже точно в бік Землі, його високоенергетичне випромінювання значно посилюється ефектами спеціальної теорії відносності. «Таке вирівнювання призводить до збільшення яскравості у 30 і більше разів», — пояснює Джек Лівінгстон, співавтор дослідження з MPIfR. «Водночас джет здається повільним через ефекти проєкції — класичну оптичну ілюзію».

Ця фронтальна геометрія дозволила вченим зазирнути безпосередньо в серце джета блазара, що є надзвичайно рідкісною можливістю. Поляризовані радіосигнали допомогли команді скласти карту структури магнітного поля джета, виявивши його ймовірну спіральну або тороїдальну форму. Ця структура відіграє ключову роль у запуску та колімації потоку плазми та може бути важливою для прискорення частинок до екстремальних енергій.

«Розв'язання цієї загадки підтверджує, що активні ядра галактик з надмасивними чорними дірами є не тільки потужними прискорювачами електронів, але й протонів — джерелом спостережуваних високоенергетичних нейтрино», — підсумував Ковальов.

«Око Саурона» — дивовижне зображення плазмового джета в блазарі PKS 1424+240. Джет пронизаний майже ідеальним тороїдальним магнітним полем (зображеним помаранчевим кольором). Завдяки спеціальній теорії відносності високоенергетичні гамма-промені та нейтрино сильно спрямовані в бік Землі, навіть якщо з нашої перспективи джет здається повільним. © Y.Y. Kovalev et al.

Це відкриття є тріумфом програми MOJAVE, яка протягом десятиліть займається моніторингом релятивістських джетів в активних галактиках за допомогою VLBA. Вчені використовують техніку інтерферометрії з дуже довгою базовою лінією (VLBI), яка з'єднує радіотелескопи по всьому світу, утворюючи віртуальний телескоп розміром із Землю. Це забезпечує найвищу роздільну здатність, доступну в астрономії, що дозволяє їм вивчати дрібні деталі віддалених космічних струменів.

«Коли ми розпочали MOJAVE, ідея одного дня безпосередньо пов'язати віддалені джети чорних дір з космічними нейтрино здавалася науковою фантастикою. Сьогодні наші спостереження роблять це реальністю», — каже Антон Зенсус, директор MPIfR і співзасновник програми.

Дослідники зазначають, що цей результат зміцнює зв'язок між релятивістськими струменями, високоенергетичними нейтрино та роллю магнітних полів у формуванні космічних прискорювачів, що є важливою віхою в багатоканальній астрономії.

Довідкова інформація

Блазар — це тип активного галактичного ядра, у якому надмасивна чорна діра  випускає два струмені плазми (джети), що рухаються майже зі швидкістю світла, і один з них спрямований у бік Землі під кутом приблизно 10 градусів. Таке розташування робить блазари яскравими в усьому електромагнітному спектрі та дозволяє вченим вивчати екстремальні фізичні процеси, зокрема прискорення частинок до енергій, що значно перевищують ті, яких досягають у штучних прискорювачах.

VLBA (Антенний масив дуже великої бази) — це масив з десяти антен, розташованих на території континентальної частини США, Гаваїв та Сент-Круа, який працює в режимі інтерферометрії з дуже довгою базовою лінією (VLBI). Відстань між антенами варіюється до приблизно десяти тисяч кілометрів, забезпечуючи кутову роздільну здатність на небі до 50 кутових мікросекунд.

MOJAVE (Моніторинг джетів в активних галактичних ядрах за допомогою експериментів на VLBA) — це довгострокова програма моніторингу радіояскравості та змін поляризації в джетах, пов'язаних з активними галактиками, видимими на північному небі. Спостереження проводяться за допомогою VLBA, що дозволяє отримувати повні поляризаційні зображення з кутовою роздільною здатністю краще 1 кутової мілісекунди (видима відстань між фарами вашого автомобіля, як її бачить астронавт на Місяці). Дослідники використовують ці дані, щоб краще зрозуміти складну еволюцію та структуру магнітного поля джетів у масштабах світлових років, поблизу місця їхнього виникнення в активному ядрі, а також те, як ця активність корелює з випромінюванням високоенергетичних електромагнітних хвиль та нейтрино.

MuSES, що розшифровується як «Багатоканальні дослідження енергетичних джерел», є піонерською ініціативою в астрофізиці. Вона присвячена вивченню активних ядер галактик, які є одними з найпотужніших прискорювачів частинок, відомих у космосі. Ці небесні тіла використовують гравітаційну енергію речовини, що накопичується надмасивними чорними дірами, і перетворюють її на електромагнітну та кінетичну енергію, що призводить до утворення високорелятивістських електронів і протонів. Прискорення протонів та їхній зв'язок і виробленням нейтрино досі недостатньо вивчені, що становить серйозний виклик для дослідників. MuSES має на меті розв’язати ці фундаментальні питання, використовуючи останні досягнення в багатоканальній астрономії.

• блазар