Сильная переменность блазара хорошо объясняется деформацией его джетов

Рис. 1. Кадр из симуляции процессов, происходящих в блазаре. Рисунок с сайта nasa.gov

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 (рис. 2). 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.

Рис. 2. При наблюдении аккрецирующей сверхмассивной черной дыры под разными углами наблюдатель будет видеть либо квазар (сбоку), либо блазар (вдоль джета). На врезке — рентгеновское изображение квазара GB1508+5714 и его джета, полученное космической обсерваторией Чандра. Изображение с сайта nasa.gov

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.

Рис. 3. Кривая блеска блазара CTA-102 в оптическом диапазоне в 2015–2016 годах. Разными символами показаны данные измерений разных обсерваторий. Видны сложная нерегулярная переменность и вспышка конца 2016 года. Изменение блеска на 5 звездных величин (вертикальная ось) на этом графике соответствует поярчанию ровно в 100 раз. Время на верхней шкале приведено в годах, а на нижней — в юлианских днях. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

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.

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).

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.

Рис. 4. Предлагаемая модель джета блазара. Он не остается прямым (хоть и неоднородным в смысле плотности), а время от времени изгибается и, может быть, даже закручивается. В рамках эффектов релятивистского поярчания и сокращения времени это способно описать его наблюдаемую переменность. Излучение в разных диапазонах (оптическом, инфракрасном, миллиметровом, радио) возникает в разных частях джета. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

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.

Антон Бирюков