Проект «Радиоастрон»: итоги работы

Юрий Ковалев,
член-корреспондент РАН, заведующий лабораторией АКЦ ФИАН
«Троицкий вариант — Наука» №3(272), 12 февраля 2019 года

Коллектив проекта «Радиоастрон» выражает глубокую благодарность коллегам из России и других стран мира за горячую поддержку и пожелания выздоровления спутнику. Как вы знаете из сообщений специалистов «Роскосмоса» и НПО им. Лавочкина, с 10 января не удается наладить связь с аппаратом «Спектр-Р». Попытки продолжаются, а в это время нами собраны новые заявки на наблюдения до середины 2020 года. Верим в восстановление связи.

Напомним коротко о проекте и некоторых полученных результатах. Заметим, что обработка интерферометрических данных — процесс длительный и трудоемкий. Потребуется еще как минимум пять лет для завершения полноценного анализа и интерпретации накопленного на сегодня объема данных.

«Радиоастрон» — международный космический проект фундаментальных астрофизических исследований в радиодиапазоне электромагнитного спектра. Используется метод радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами с помощью космического радиотелескопа, смонтированного на российском космическом аппарате «Спектр-Р», и наземных радиотелескопов многих стран мира. Этот интерферометр позволил ученым получить наивысшее угловое разрешение при исследовании объектов Вселенной в радиодиапазоне. Головная научная организация проекта — Астрокосмический центр ФИАН (Москва).

Некоторые научные открытия

Экстремальная яркость квазаров

Рис. 1. Джет активного галактического ядра 3С84. Вверху: источник джета, сверхмассивная черная дыра (Giovannini и др., 2018, Nature Astronomy, 2, 472)

Впервые удалось зарегистрировать экстремально большую яркость квазаров — ядер активных галактик — на расстоянии в миллиарды световых лет, которая в несколько десятков раз превышает теоретически допустимую. Известные сегодня механизмы не позволяют объяснить причины поддержания аномальной яркости. Высказываются следующие предположения.

1. Высокое релятивистское усиление излучения. Однако это противоречит наблюдаемым скоростям течения плазмы.
2. Постоянное ре-ускорение частиц, например, как результат магнитного пересоединения. Но в этом случае излучение в рентгеновском и гамма-диапазонах должно быть выше из-за интенсивного обратного комптоновского рассеяния.
3. Излучение релятивистских протонов. Однако еще предстоит решить проблему построения модели их ускорения до скорости света. Заметим при этом, что открытие нейтрино от квазара в 2018 году предоставляет дополнительные аргументы в пользу этого сценария, ранее казавшегося многим экстремальным.

Механизм формирования джета в галактиках

В ходе изучения активного ядра гигантской эллиптической галактики Персей A с расстояния 230 млн световых лет удалось построить карту релятивистского джета, зарождающегося в окрестностях центральной черной дыры. Изображение получено с беспрецедентным угловым разрешением, позволившим измерить ширину основания джета и исследовать детали структуры размером до 12 световых дней. Угол наблюдения джета — 20°. Оказалось, что струя стартует очень широкой — в несколько сотен гравитационных радиусов. В результате впервые получены доказательства механизма «запуска» джета, за который ответственен аккреционный диск вокруг черной дыры, а не сама дыра (рис. 1).

Рис. 2. Изображение BL Lac. Контурами представлено изображение в полном потоке, палочки показывают направление линейной поляризации, цветом выделена величина фарадеевского вращения. Обратите внимание на градиент фарадеевского вращения в начале струи, позволивший однозначно восстановить структуру магнитного поля (Gomez и др., 2016, ApJ, 817, 96)

Магнитное поле в струях галактик

Магнитное поле играет ключевую роль в процессе формирования джетов в активных галактиках. Поэтому важно восстановить структуру магнитного поля в основании джетов. Это делается при помощи измерений направления электрического вектора линейной поляризации и фарадеевского вращения. Поляризационное картографирование в проекте «Радиоастрон» на длине волны 1,3 см с экстремальным угловым разрешением позволило выяснить, что магнитное поле имеет тороидальную форму. Оно работает как магнитная пружина, выталкивая плазму наружу (рис. 2).

Нестабильности в плазменных выбросах квазаров

Высокое угловое разрешение наземно-космического интерферометра позволило разглядеть поперечную структуру плазменных выбросов во многих активных галактиках. Обнаружены следы распространяющихся по плазме волн нестабильности. Моделирование полученных изображений выделило нестабильность типа Кельвина — Гельмгольца. На рис. 3 представлено самое начало выброса плазмы в квазаре 0836+71, наблюдаемом под углом в 3°. Оранжевым цветом показано начало джета, как его видит наземный интерферометр, синими контурами — результат работы «Радиоастрона».

Наблюдение космических мазеров с высоким разрешением

В области звездообразования Цефей А, находящейся на расстоянии около 2 тыс. световых лет от Земли, впервые удалось разглядеть мельчайшие, сравнимые по размеру с Солнцем, источники мазерного излучения водяного пара. Предполагается, что эти мазеры связаны с турбулентными вихрями в потоке газа от формирующейся массивной звезды.

Рис. 3. Джет блазара 0836+71, движущийся на нас с отклонением 3°. Цветом показана карта, снятая наземным радиоинтерферометром, синими контурами — карта «Радиоастрона». На правой панели тот же источник, что и на левой (верхнее пятно), но на более высокой частоте и в большем масштабе (Vega-Garcia и др., 2019, A&A)

Субструктура пятна рассеяния

Рис. 4. Результат рассеяния радиоволн на неоднородностях межзвездной среды (Johnson и др., 2016, ApJ, 820, L10)

В процессе изучения пульсаров, а позже квазаров и центра нашей Галактики удалось обнаружить новый эффект рассеяния радиоволн в межзвездных облаках плазмы. Эффект, названный субструктурой рассеяния, мешает прямому наблюдению космических объектов, внося искажение в их изображения. Он проявляет себя как мелкие точки, появляющиеся на фоне рассеянного изображения (рис. 4). Зато субструктура рассеяния позволяет определять структуру, плотность и характеристики турбулентности межзвездного пространства между Землей и наблюдаемыми радиоисточниками. Более того, разрабатывается процедура исправления изображения космического объекта, «испорченного» данным эффектом. Это важно для исследования компактного объекта в центре нашей Галактики.

Проверка ОТО: работа продолжается

Наличие на борту «Радиоастрона» работающего сверхстабильного водородного стандарта в течение первых шести лет полета позволило провести десятки экспериментов по измерению эффекта гравитационного замедления времени и тем самым осуществить проверку эйнштейновского принципа эквивалентности и общей теории относительности. Анализ данных продолжается, по результатам их частичной обработки уже достигнута точность на уровне эталонного эксперимента Gravity Probe A (0,01%).