Квазары «не стоят на месте»
Астрономы обнаружили смещение со временем видимого положения считавшихся раньше неподвижными квазаров, и предложили его объяснение.
Квазары – очень мощные источники космического излучения, представляющие собой активные ядра галактик. Земле повезло не иметь таких опасных соседей, квазары расположены очень далеко, благодаря чему считаются неподвижными объектами звездного неба, в то время как близкие к Земле объекты, например, планеты Солнечной системы, передвигаются относительно Земли сложным образом. Это позволяет использовать квазары как надежные и стабильные ориентиры для решения таких важных практических задач, как навигация и изучение тектонических процессов.
Астрономы МФТИ, ФИАН, Крымской астрофизической обсерватории и Радиоастрономического институт Макса Планка (Германия) обнаружили, что видимое положение квазара всё же немного изменяется со временем, и выяснили, насколько сильно и в каких масштабах времени. Результаты исследования опубликованы в журнале MNRAS (Ежемесячные записки Королевского астрономического общества, Великобритания).
По современным представлениям активное ядро галактики представляет собой «огнедышащую» черную дыру, которая стягивает к себе окружающее вещество, а затем выбрасывает две противоположно-направленные струи высокоскоростной плазмы – релятивистские джеты. Сама черная дыра, конечно, невидима, но заряженные частицы, движущиеся с огромной скоростью в магнитном поле, испускают так называемое синхротронное излучение.
Однако черную дыру окружает непрозрачная область – своего рода «завеса», преодолеть которую может только самое высокочастотное излучение. Область, из которой оно вырывается наружу, зависит от частоты. Поэтому для наблюдателя с Земли активное ядро галактики может выглядеть по-разному в зависимости от диапазона частот, в котором производилось наблюдение. Например, в оптическом диапазоне можно различить и джеты, и свечение вокруг его источника. А в радиодиапазоне от квазара видна только часть «хвоста», направленная на нас. Соответственно с частотой меняется и видимое положение ядра.
Этот эффект частотно-зависимого сдвига видимого положения квазара был предсказан около сорока лет назад на основании теории синхротронного излучения электронов и вскоре был успешно обнаружен. Связано это явление с тем, что при большой концентрации электронов плотность энергии синхротронного излучения тоже становится большой, и оно начинает поглощаться этими же электронами. Этот эффект получил название синхротронного самопоглощения. Он определяет спектр принимаемого излучения и определяемое местоположение объекта.
Однако существующая теория ничего не говорит о том, как излучение может меняться со временем. До недавнего времени астрономы не обладали достаточно точными измерениями, чтобы оценить такие изменения, поэтому просто закрывали глаза на такую переменность и для практических целей считали активные ядра галактик неподвижными.
Сейчас уже накопилось достаточно данных, которые удалось аккуратно и эффективно обработать с помощью специально разработанного автоматического метода. Именно это позволило обнаружить наличие переменности положений и связать ее с физическими процессами в джетах.
Самый точный сейчас способ наблюдения удаленных объектов в радиодиапазоне – это радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами. Он заключается в одновременном наблюдении за объектом с помощью нескольких телескопов, расположенных на большом расстоянии друг от друга. Специальная обработка сигналов превращает их в один гигантский телескоп, позволяющий получить информацию о далеком источнике радиоволн с большим разрешением. Однако такие данные сложно интерпретировать: настоящее изображение достаточно сложно в них «зашифровано».
Авторы исследования разработали автоматическую программу, анализирующую такие «зашифрованные» данные, собранные на частотах 2 и 8 ГГц с 1994 по 2016 год. Они обработали 40 объектов, которые наблюдались не менее 10 раз за этот период. Оказалось, что координата видимого начала джета не стоит на месте, а колеблется туда-сюда вдоль направления джета у 33 квазаров из 40. Так что данное явление можно считать обычным для квазаров. Типичные смещения между видимыми положениями ядра на частотах 2 и 8 ГГц составляют около 0,5 миллисекунды дуги, и они изменяются во времени. Типичная изменчивость около 0,3 миллисекунды дуги.
Но каковы причины этого? Можно было бы подумать, что подвижен сам источник джетов – ядра галактик. Однако астрофизики утверждают, что подобные колебания – это своего рода иллюзия, так как причина явления кроется в непростом поведении излучения, а сами квазары слишком массивны и никаких смещений в пространстве не совершают. Чтобы ответить на этот вопрос, авторы проверили, существуют ли связь видимого положения ядра с какими-либо переменными параметрами квазара – например, магнитным полем или яркостью.
Оказалось, что видимая координата ядра напрямую связана с плотностью частиц в джетах: кажущийся сдвиг ядра происходит синхронно с увеличением их яркости. В рамках существующей теоретической модели это может указывать на роль ядерных вспышек, впрыскивающих в джеты более плотную плазму, в поведении квазара. Плотность излучающих релятивистских частиц значительно увеличивается во время этих вспышек
Какое практическое применение может дать подобный анализ? Точные данные о наблюдаемых перемещениях квазаров позволят скорректировать астрометрические методы и получить сверхточные навигационные системы и ориентиры для различных измерений. Кроме того, изучение эффекта «смещения ядра» позволяет восстановить свойства областей джетов, близких к ядру и исследовать физику процессов.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда
По материалам пресс-релиза МФТИ.
