Международная группа астрофизиков, в которую вошли и российские ученые, опубликовала результаты анализа наблюдений блазара CTA-102 в 2015–2016 годах. В конце 2016 года его яркость быстро увеличилась более чем в сто раз, что дало наблюдателям сильные аргументы в пользу одной из теорий, объясняющих сложную переменность этих объектов. Ученые считают, что такое быстрое изменение яркости хорошо описывается сравнительно простой моделью, в которой учитывается искривление джета блазара.
Пожалуй, главным физическим механизмом в современной астрофизике можно с уверенностью назвать аккрецию. По крайней мере, это постоянный спутник работ о черных дырах и нейтронных звездах, ставших символами современной науки о Вселенной. В процессе аккреции рождаются галактики (G. C. Jones et al., 2017. Galaxy Formation Through Filamentary Accretion at z = 6.1), звёзды (Lee Hartmann, 2008. Accretion Processes in Star Formation) и даже планеты (см., например, презентацию Formation of the Solar System and Other Planetary Systems). Статья Н. Шакуры и Р. Сюняева Black Holes in Binary Systems: Observational Appearances о дисковой аккреции, опубликованная в 1973 году, — одна из самых цитируемых за всю историю астрофизики. Художественное описание аккреции можно найти даже в романе Виктора Пелевина «S.N.U.F.F.».
Аккрецией (лат. аccretio — приращение, увеличение) в астрономии называют процесс падения вещества на гравитирующий центр. В зависимости от начальных условий аккреция может приводить к невероятно ярким (в прямом смысле этого слова) результатам. Так, вещество, падающее на черную дыру с массой в сотни миллионов солнечных, может породить выброс со светимостью в 10 триллионов раз больше мощности излучения Солнца. Если бы такая система находилась в соседней с нами Туманности Андромеды (на расстоянии 2,5 млн световых лет от нас), то она выглядела бы как ярчайшая звезда на нашем небе (см. R. Bachev et al., 2017. Intra-night variability of the blazar CTA 102 during its 2012 and 2016 giant outbursts) — ко всеобщему счастью астрономов. Тем более что даже в этом случае ее излучение вряд ли бы могло сильно повлиять на развитие земной жизни (по сравнению с излучением Солнца, конечно).
Хотя в ближайших к нам галактиках таких систем нет, во Вселенной они встречаются весьма часто. Сверхмассивные черные дыры есть в центрах почти всех галактик (в том числе и нашей). И довольно часто они, из-за гигантской гравитации, в большом количестве собирают находящееся неподалеку межзвездное вещество, которое, обладая моментом импульса, закручивается вокруг черной дыры и образует светящийся аккреционный диск. Кроме того, вдоль оси вращения черной дыры (как ее понимать — отдельный разговор) образуются два джета — симметричные, узконаправленные выбросы. Существование последних, по-видимому, возможно благодаря закрученным линиям крупномасштабного магнитного поля, принесенного вместе с веществом. В дополнение к диску такие джеты дают существенный вклад в излучение всей системы.
Такие аккрецирующие системы имеют очень компактные размеры по сравнению со своей родительской галактикой. Размер черной дыры (ее гравитационный радиус) с массой в миллиард солнечных составляет лишь 20 астрономических единиц (это радиус орбиты Урана). Размер ее аккреционного диска в несколько сотен раз больше. При этом, для сравнения, диаметр нашей галактики Млечный Путь — 20 миллиардов астрономических единиц. Поэтому понятно, что такие объекты выглядят как (яркие) точечные источники, расположенные в центрах галактик.
К слову, центральная черная дыра Млечного Пути (массой «всего» 4 млн Солнечных) тоже, вероятно, не раз переживала такие периоды активности, хотя и не очень «яркие». Причем последний такой период мог быть всего лишь 300–400 лет назад (M. G. Revnivtsev et al., 2004. Hard X-ray view of the past activity of Sgr A* in a natural Compton mirror), а один из более старых — породить знаменитые Пузыри Ферми.
Галактики c активно аккрецирующей сверхмассивной черной дырой называются галактиками с активными ядрами. Из-за большого расстояния саму галактику видно не всегда — в таком случае удается различить только яркий точечный (звездоподобный) источник в ее центре. Так в 1960-е годы появилось понятие «квазар» (англ. quasar — от quasistellar).
На сегодняшний день каталогизированы уже сотни тысяч квазаров, а всё их многообразие разделено на несколько феноменологических типов. И одним из самых интересных подклассов этих объектов являются блазары. Блазар — это квазар, так ориентированный в пространстве, что один из его джетов светит почти точно на нас. Джет очень яркий, поэтому эту ситуация можно сравнить с попаданием в глаз луча лазерной указки (не пытайтесь проверить — это опасно!). Свое название блазары получили от сочетания слова квазар и названия переменной BL Ящерицы (открытый в 1929 году, первоначально этот объект был принят за звезду и затем получил соответствующее обозначение, и только спустя почти 30 лет удалось установить его внегалактическую природу) — архетипа таких объектов.
Объект CTA-102 — это как раз блазар с красным смещением z = 1,037, то есть свет от него к нам шел около 8 млрд лет. Как и все блазары, он демонстрирует сложную, нерегулярную переменность своего излучения, регистрируемую во всем диапазоне электромагнитных волн. Недавно — осенью 2012 года и конце 2016 года — у этого блазара было две вспышки: он увеличивал свою яркость в десятки и сотни раз за несколько недель (рис. 3). В эти моменты он становился доступным для наблюдения даже в небольшие любительские телескопы.
Вспышка конца 2016 года была самой мощной, а в момент максимума яркости в декабре блазар имел светимость более 1048 эрг/c, что на время сделало его одним из самых мощных постоянных источников излучения, когда либо наблюдавшихся на небе. Это событие и стало предметом рассмотрения в вышедшей недавно в журнале Nature статьи большой международной группы ученых, среди которых были астрофизики из Санкт-Петербургского Университета, Пулковской обсерватории и Крымской Астрофизической Обсерватории.
Блазар CTA-102, открытый еще в начале 60-х годов прошлого века, уже как минимум один раз был героем новостей, причем в мировом масштабе. В 1964 году советский астрофизик Николай Кардашёв опубликовал свою (уже классическую) работу Transmission of Information by Extraterrestrial Civilizations, в которой размышлял о возможных сигналах от внеземных цивилизаций. В этой работе он ввел так называемую «шкалу Кардашёва», ранжирующую гипотетические цивилизации в зависимости от количества энергии, которое они потребляют, а также высказал идею, что точечные переменные радиоисточники с определенным спектром могут оказаться «маяками» наших братьев по разуму. Одним из кандидатов в такие источники Кардашёв назвал CTA-102. Через год переменность этого объекта действительно была обнаружена (как мы теперь знаем, объясняется она, скорее всего, изгибающимся джетом). На научном докладе об этом результате присутствовал журналист, последующая статья которого потом и вызвала мировую сенсацию.
Физические основания переменности блазаров пока еще являются предметом обсуждения. Базовая модель этих объектов предполагает, что вещество в джетах блазара выбрасывается со скоростью, близкой к скорости света, чем объясняется его излучение в узком диапазоне углов и высокая яркость этого свечения. Излучающее вещество при этом распределено не однородно вдоль джета и, более того, разные части джета излучают преимущественно волны разной длины. В результате чего мы наблюдаем сильно переменный источник, яркость которого в радио и оптическом диапазонах меняется не синхронно, но с небольшим сдвигом в ту или иную сторону. Однако, такое объяснение, по мнению авторов обсуждаемого исследования, имеет серьезный недостаток. С его помощью сложно объяснить наблюдавшуюся переменность СТА-102 и его яркие вспышки, не создавая сложной модели с большим количеством параметров и ее последующей тонкой физической подстройки. Опыт естествоиспытателей требует обратного — чем проще физическая модель, тем вероятнее, что она имеет отношение к реальности. Природа ленива (хоть и изобретательна).
Немного физики. Согласно специальной теории относительности, если источник излучения движется к нам под углом θ к лучу зрения, то все интервалы времени в его системе отсчета будут нам казаться короче в δ раз, где δ=[Γ(1−Vccosθ)]−1δ=[Γ(1−Vccosθ)]−1 — доплеровский фактор, V — полная скорость движения излучателя, а Γ=(1−V2/c2)−1/2Γ=(1−V2/c2)−1/2 — Лоренц-фактор (который авторы статьи о CTA-102 принимали одинаковым вдоль джета). А кроме того, фотоны, излучаемые источником изотропно (в его системе отсчета), с нашей точки зрения будут стремиться двигаться почти вдоль направления его движения — в узком конусе, раствор которого равен примерно 1/Г радиан. У реальных объектов Г может достигать значения 100 и более (T. Hovatta et al., 2009. Doppler factors, Lorentz factors and viewing angles for quasars, BL Lacertae objects and radio galaxies). По этой причине, так как весь свет более не «размазан» по всей небесной сфере, а собран в узкий пучок, внешний наблюдатель будет видеть излучающий объект гораздо более ярким.
Таким образом, наблюдаемая шкала переменности при малых углах θ и, соответственно, больших δ будет соотноситься с «истинной» как Δt=Δt0/δΔt=Δt0/δ, а наблюдаемый поток на частоте ν будет отличаться от излученного как F(ν)=δ2+αF0(ν)F(ν)=δ2+αF0(ν) при условии, что спектр излучения степенной с показателем степени −α. Таким образом, наблюдаемые вариации яркости будут определяться лишь вариациями δ.
Именно такого рода простую модель и предлагают ученые. Их идея такова: регистрируемая яркость и спектр излучения сгустка плазмы, движущегося почти точно на нас с околосветовой скоростью, очень сильно зависят от всего одного параметра — угла между направлением его движения и лучом зрения. Это чисто геометрический эффект специальной теории относительности. Поэтому если предположить, что плазма в джете CTA-102 движется не точно по прямой, но время от времени немного «виляет», то это вполне могло бы объяснить поведение блазара (рис. 4). Такая гипотеза, как и полагается, порождает несколько наблюдаемых следствий, которые авторы успешно проверяют.
Во-первых, если переменность излучения блазара имеет геометрическую природу, то амплитуды его поярчания (или потускнения) на разных длинах волн должны быть согласованы: мы смотрим на источник с единым спектром излучения, просто с разных сторон в разные моменты времени. Во-вторых, из-за эффектов той же теории относительности меняется не только яркость источника, но и время его переменности, причем так, что в более ярком состоянии, переменность должна быть быстрее.
Авторы обсуждаемой статьи приводят результаты наблюдений за этим блазаром в 2015–2016 годах, которые велись в 28 обсерваториях в радио-, миллиметровом и оптическом диапазонах. Учтя вклад тепловой компоненты (излучения от аккреционного диска), они показали, что вариации спектра излучения джета (имеющего синхротронную природу) и его яркость в разные моменты времени действительно можно описать, меняя, по сути, лишь один параметр — угол между направлением движения светящегося сгустка и лучом зрения. Зависимость времени переменности от яркости источника также была обнаружено авторами при анализе данных наблюдений.
Кроме того, существенным аргументом в пользу идеи авторов являются и свойства поляризации наблюдаемого синхротронного излучения (его оптической части). Поляризация — это определенная ориентация вектора электрического поля в электромагнитной волне. Синхротронное излучение само по себе очень сильно поляризовано, а направление поляризации определяется направлением крупномасштабного магнитного поля (джета) относительно наблюдателя в данный момент. Изменения в ориентации линейной поляризации, обнаруженные авторами, хоть и не показывают сильной корреляции с видимой яркостью квазара, все же имеют характерный вид, соответствующий поворачивающемуся относительно наблюдателя магнитному полю.
Результаты этой работы могут быть важными не только для академической науки, но и для повседневной жизни большинства из нас. Дело в том, что квазары из-за своей яркости являются, пожалуй, самыми удаленными точечными источниками, которые мы изучаем. А стало быть, они почти не перемещаются по небу и на основе их положений удобно сформировать фундаментальную систему координат, которая нужна в том числе и для спутниковой навигации. В этом смысле за тысячу лет ничего не изменилось — мы все еще ориентируемся по звездам.
Чем точнее будут измерены положения «опорных» объектов, в роли которых для спутников обычно выступают видимые в оптическом диапазоне звезды, тем лучше. Для этого, в частности, нужно как можно точнее сопоставлять координаты квазаров в радио- и оптическом диапазонах. Однако, как видно, это совсем непросто сделать. Недавно было установлено, что в разных диапазонах светят разные части джета (см. Джеты мешают точно определять координаты центров галактик, «Элементы», 03.10.2017). А теперь выясняется, что, скорее всего, джеты еще и искривляются.
Источник: C. M. Raiteri et al. Blazar spectral variability as explained by a twisted inhomogeneous jet // Nature. 2017. DOI: 10.1038/nature24623.
По информации http://elementy.ru/novosti_nauki/433168/Silnaya_peremennost_blazara_khorosho_obyasnyaetsya_deformatsiey_ego_dzhetov
Обозрение "Terra & Comp".
