Ученые из России, Германии, Финляндии и США изучили больше 300 квазаров – вращающихся черных дыр, из которых «бьют» горячие струи плазмы, – и обнаружили, что эти выбросы меняют свою форму при удалении от черной дыры с параболы на конус. Это напоминает знаменитые брюки клеш. Сняв размеры «брюк», ученые смогут разобраться, как разгоняется вещество в центральных машинах далеких активных галактик.
Работа опубликована в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Маяки Вселенной
Квазары – одни из самых ярких объектов в космосе. При этом они находятся очень далеко – в миллиардах световых лет от Земли. Их называют маяками Вселенной: можно не только изучать по ним ее структуру и эволюцию, но и использовать их для навигации на Земле. Из-за своей чрезвычайной удаленности квазары можно считать неподвижными точками и относительно них измерять параметры вращения Земли и координаты точек на ее поверхности. Это используется в системах ГЛОНАСС и GPS.
Квазары такие яркие, что они видны с огромных расстояний, из-за вращающейся сверхмассивной черной дыры с массой до нескольких миллиардов масс Солнца (рисунок 1). Черная дыра притягивает к себе окружающее вещество. Но, что более важно, вместе с веществом она собирает вокруг себя магнитное поле. Силовые линии поля работают как проволоки с нанизанными бусинами — заряженными частицами (рисунок 2). Когда силовые линии вращаются, частицы ускоряются почти до скорости света. Эти течения называются релятивистскими джетами, и именно они делают квазары такими яркими.
Дотянуться до небес
Ранее считалось, что джеты имеют форму конусов. Ученые нашли всего несколько исключений из этого правила.
Авторы нового исследования наблюдали за сотнями квазаров в течение двух десятков лет с помощью сети радиотелескопов, раскинутой по миру. В результате были получены изображения более 300 объектов и проведен автоматический анализ формы их джетов. Таким образом были найдены 10 квазаров, параболические силуэты джетов которых трансформировались в конические (рисунок 1). Причем рассмотреть эту трансформацию ученым позволило близкое расположение объектов. Оказалось, что весь десяток находится на расстоянии «всего» в сотни миллионов световых лет. Изменение формы выброса происходит на расстоянии в несколько десятков световых лет от черной дыры.
«Вопрос о механизме формирования и ускорения струй в далеких активных галактиках до сих пор плохо понят. А разобраться в принципах работы этих космических ускорителей крайне важно. Область, в которой джеты формируются, сложно рассмотреть. Она очень компактная, а объекты находятся далеко — там все просто сливается вместе. Были разные теоретические модели, но не было наблюдательной информации, которая могла бы их проверить. Нам впервые удалось получить детальные данные о геометрии струйных выбросов для большого количества квазаров», — говорит Юрий Ковалев, член-корреспондент РАН, руководитель научных лабораторий в МФТИ и ФИАН.
Постижение недоступного
Геометрия джета зависит от баланса внутренних и внешних сил, магнитного поля, плазмы джета и межзвездного газа. Авторам работы удалось элегантно учесть это, и в результате форма джета естественным образом меняется в их теоретической модели с параболы на конус. Центральная машина, состоящая из вращающейся черной дыры и магнитного поля, имеет ограниченный запас мощности, как любой двигатель, и не может ускорять частицы бесконечно. Ранее было известно, что плазма хорошо ускоряется только до определенной скорости, а потом ускорение столь медленно, что им можно пренебречь. Именно эта точка остановки ускорения и соответствует месту «клешения».
«Изменение формы выбросов наблюдалось в паре-тройке галактик и в более ранних исследованиях. Но не было сделано важного вывода о том, что это не особенности какого-то определенного объекта, а свойство квазаров как класса. Нам удалось связать этот эффект с внутренними характеристиками струй. Это оказалось лаконичным и естественным объяснением», – поясняет Елена Нохрина, кандидат физико-математических наук, заместитель заведующего лабораторией фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ.
Теперь у ученых появилась новая возможность оценить скорость вращения центральной черной дыры и разобраться в механизме формирования узких и очень быстрых выбросов плазмы в квазарах. Настолько ярких, что они видны с расстояний в миллиарды световых лет.