Международная группа ученых получила новые указания на существование двойной сверхмассивной черной дыры в далекой галактике с помощью “Радиоастрона”.

Галактика OJ 287 находится на расстоянии 5 миллиардов световых лет от нас и не является обычным объектом на небе. Она принадлежит к особой категории галактик, называемых блазарами. Главной характеристикой блазара является то, что в его центре находится сверхмассивная черная дыра, аккрецирующая вещество, газ и пыль. Более того, пара осесимметричных релятивистских плазменных струй выбрасывается из центральной области и один из джетов направлен в сторону Земли. Точный механизм формирования этих струй до сих пор неизвестен. OJ 287 замечателен еще по одной причине. В его центре находится не одна, а две сверхмассивные черные дыры, причем вторичная (менее массивная) вращается вокруг первичной, дважды пронзая ее аккреционный диск каждые 12 лет. Эта система является единственным известным кандидатом на роль тесной двойной сверхмассивной черной дыры.

Один из главных вопросов, связанных сегодня с образованием сверхмассивных черных дыр, заключается в том, как пара таких черных дыр сливается в конечном итоге — так называемая проблема финального парсека. Их гравитационное излучение, как мы ожидаем, вскоре может быть обнаружено с помощью интерферометров космических гравитационных волн, что окончательно подтвердит существование двойной системы в OJ 287.

Рисунок, иллюстрирующий двойную сверхмассивную черную дыру.
Источник: R. Hurt (NASA/JPL) & Abhimanyu Susobhanan (Tata Institute of Fundamental Research).

Связь между этими открытыми вопросами достигается благодаря элегантному методу наблюдений, известному как радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами (РСДБ). Принцип РСДБ, предложенный советскими учеными Л.И. Матвеенко, Н.С. Кардашевым и Г.Б. Шоломицким в прошлом веке, заключается в одновременном наблюдении источника на небе разными телескопами. Синхронизация сигнала с каждой антенны и последующая корреляция позволяет восстанавливать изображения удаленных астрофизических объектов с высочайшим угловым разрешением, эквивалентным тому, которое достигалось бы телескопом размером с Землю. При этом, чем больше собирательная поверхность и чем короче длина волны наблюдения, тем выше угловое разрешение.

Международной группе исследователей из разных институтов мира, включая российские Астрокосмический центр Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Московский Физико-Технический Институт и Крымскую Астрофизическую обсерваторию, удалось восстановить изображение OJ 287 с самым высоким разрешением (уровнем четкости), достигнутым на сегодняшний день, используя наземно-космические РСДБ-наблюдения. Участие 10-метровой орбитальной антенны «Спектр-Р» (космическая миссия «Радиоастрон», возглавляемая АКЦ ФИАН при поддержке Роскосмоса), помогло сформировать виртуальный радиотелескоп размером в 15 раз больше Земли. При этом было достигнуто разрешение около 12 угловых микросекунд или около 2 световых месяцев. Другими словами, полученное изображение настолько детализировано, что обладая таким разрешением, можно с Земли увидеть монету в 1 рубль на поверхности Луны.

«Мы еще никогда не наблюдали внутреннюю структуру кандидата в сверхмассивную двойную черную дыру OJ 287 с такой четкостью», — говорит главный руководитель лабораторий в ФИАН и МФТИ, член-корреспондент Юрий Ковалев.

Анализ полученных изображений показал, что плазменная струя объекта сильно изогнута, что подтверждает предсказания модели двойной сверхмассивной черной дыры. Наблюдения в поляризованном свете визуализировали топологию магнитного поля самой внутренней части струи и подтвердили его тороидальную конфигурацию. То есть начало джета оказалось пронизано спиральным магнитным полем.

«Эти результаты помогли нам продвинуться еще на один шаг в расширении наших знаний о морфологии релятивистских джетов вблизи центральной машины, подтвердить роль магнитных полей в запуске джетов. Мы получили новые указания на двойную систему сверхмассивных черных дыр в сердце OJ 287», — заключает ведущий научный сотрудник ФИАН и КрАО, профессор РАН Александр Пушкарев.

Руководитель Астрокосмического центра ФИАН, доктор физико-математических наук Сергей Лихачев добавляет: «В настоящий момент Астрокосмический центр ФИАН разрабатывает новое поколение наземно-космического интерферометра, проект «Миллиметрон». Он позволит напрямую построить изображение двойной черной дыры и ее окружения в центре этой и других галактик».

Публикация

J. L. Gómez и др. "Probing the innermost regions of AGN jets and their magnetic fields with RadioAstron. V. Space and ground millimeter-VLBI imaging of OJ 287". The Astrophysical Journal, 924, 122 (2022) 

Коллаж, показывающий системы наблюдений и изображения искривленного джета в активной галактике OJ 287. Сверху вниз: глобальная группа радиотелескопов, включая  космическую обсерваторию “Спектр-Р” (диаметр 10 м, не в масштабе) проекта “Радиоастрон”, обеспечивает наблюдения с рекордным разрешением 12 микросекунд дуги или около 2 световых месяцев; изображения, полученные в диапазоне миллиметровых и сантиметровых волн на наземных радиоинтерферометрах. © Эдуардо Рос (MPIfR); радиоизображения от Gómez и др. (The Astrophysical Journal, 2022 г.); Земной шар от worldmapgenerator.com; схематическое изображение «Радиоастрон» от НПО им. С.А. Лавочкина.

АНИ «ФИАН-информ»

18 июня в 10:30 в Физическом институте имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) состоится пресс-конференция, посвященная итогам и результатам работы российской космической обсерватории «Спектр-Р» и международного астрофизического проекта «РадиоАстрон». Непосредственные создатели и участники проекта расскажут о результатах и достижениях завершенной программы наблюдений и работах над новой программой «Миллиметрон». На пресс-конференцию приглашаются сотрудники СМИ, представители интернет-изданий, научные блогеры и авторы научно-популярных сообществ в соцсетях.

Участники пресс-конференции

Николай Кардашев, академик РАН, руководитель Астрокосмического центра ФИАН, руководитель проекта «РадиоАстрон», один из авторов идеи РСДБ;

Николай Колачевский, член-корреспондент РАН, директор ФИАН;

Лариса Лихачева, зам. директора ФИАН, исполнительный директор проектов «РадиоАстрон» и «Миллиметрон»;

Юрий Ковалев, член-корреспондент РАН, руководитель научной программы «РадиоАстрон», главный научный сотрудник ФИАН;

Марина Шацкая, заведующая Центром обработки научной информации АКЦ ФИАН;

Дмитрий Новиков, профессор РАН, старший научный сотрудник ФИАН, один из участников проекта «Миллиметрон».

Представители «Роскосмоса» и НПО им. С.А.Лавочкина.

    На пресс-конференции участники поделятся ключевыми результатами программы «РадиоАстрон», расскажут о работах по проекту «Миллиметрон», ответят на вопросы и смогут дать краткие интервью.

Место проведения

Физический институт имени П. Н. Лебедева РАН: г. Москва, Ленинский проспект, д. 53 (вход со стороны проспекта), главное здание, 3 этаж, Колонный зал.

Время проведения

18 июня 2019 года, начало в 10:30.

ВНИМАНИЕ!

Для участия в пресс-конференции требуется регистрация, т.к. в ФИАН пропускной режим. Форма для регистрации: https://forms.gle/WBJKBBTeBoNzJHBu7

    После мероприятия для всех желающих будет организована доставка на экскурсию в Пущинскую радиоастрономическую обсерваторию Астрокосмического центра ФИАН в Московской области. Участники смогут увидеть работу станции слежения «РадиоАстрон» - радиотелескоп РТ-22, посетить современные стенды, где создается полезная нагрузка космической обсерватории «Миллиметрон».

О проекте «Радиоастрон»

    Проект «РадиоАстрон» осуществляется Астрокосмическим центром Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук и Научно-производственным объединением им. С.А. Лавочкина по контракту с госкорпорацией «Роскосмос» совместно с многими научно-техническими организациями в России и других странах.

    Международный наземно-космический астрофизический проект «РадиоАстрон» стал возможен благодаря запуску 10-метрового космического радиотелескопа на российском искусственном спутнике «Спектр-Р». Наземные обсерватории разных стран и космический телескоп действовали вместе при помощи технологии радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ). Теоретическая возможность РСДБ была обоснована советскими учеными в 1965 году, и один из соавторов — Николай Кардашев — стал научным руководителем проекта «РадиоАстрон» в Астрокосмическом центре Физического института имени П. Н. Лебедева РАН.

    В 2011 году Роскосмос успешно реализовал запуск космического аппарата «Спектр-Р». Созданный НПО им С.А.Лавочкина «Спектр-Р» нес на борту космический радиотелескоп КРТ-10. Проект «РадиоАстрон» успешно работал на протяжении семи с половиной лет вместо запланированных трех. Ученые с его помощью исследовали свойства межзвездного вещества, пульсары, астрофизические мазеры, ядра активных галактик и черные дыры, другие объекты Вселенной. В ходе наблюдений совершены открытия и уточнены гипотезы о природе космических объектов и свойствах материи. Полученные результаты публикуются в крупнейших мировых научных изданиях.

    В январе 2019 года произошел сбой командного радиокомплекса на космическом аппарате «Спектр-Р». Попытки восстановления связи продолжались пять месяцев, но не принесли результата. Обработка накопленной информации потребует нескольких лет, поэтому можно ожидать новые открытия.

    Коллектив Астрокосмического центра ФИАН, совместно с инженерами НПО им. С.А. Лавочкина и ИСС им. М.Ф. Решетнёва занимаются разработкой нового проекта «Миллиметрон». Космический аппарат «Спектр-М» с телескопом миллиметрового диапазона должен быть выведен на расстояние 1,5 млн км от Земли, что обеспечит уникальные возможности для астрофизики.

«РадиоАстрон» в цифрах

7,5 лет научной работы на орбите.

26,7 диаметра Земли (350 тыс. км) — максимальная база интерферометра.

8 микросекунд дуги — максимальное разрешение — при наблюдении мазеров водяного пара в аккреционном диске в галактике M106 (мегамазера).

1 секунда за 3 млн лет (10^-14 с/с) стабильность водородного стандарта частоты производства «Время-Ч» (Нижний Новгород).

10 м — диаметр антенны КА «Спектр-Р» — абсолютный рекорд для космических радиотелескопов с заполненной апертурой.

До 25 радиотелескопов на Земле в одновременной работе.

Всего 58 радиотелескопов участвовало в наблюдениях «Радиоастрона» из России, Европы, США, Африки, Австралии, КНР, Южной Кореи, Японии.

3 коррелятора: АКЦ ФИАН (Россия), Радиоастрономический институт Макса Планка ­(Германия), Объединенный институт РСДБ в Европе (Нидерланды).

2 станции слежения и сбора научной информации: 22-метровая антенна Пущинской радиоастрономической обсерватории (Россия) и 43-метровая антенна Green Bank Observatory (США).

128 Мбит/с — скорость передачи данных на Землю с любого положения космического аппарата на орбите.

4 петабайт — объем накопленных данных.

92 см, 18 см, 6,2 см, 1,2−1,7 см длина волны проводимых наблюдений.

250 объектов Вселенной изучено.

Более 4000 наблюдательных сеансов.

240 ученых из 23 стран мира приняли участие в наблюдениях.

    Специалистам НПО им. С.А. Лавочкина не удалось наладить связь со спутником «Спектр-Р». Попытки продолжались с 10 января до 30 мая 2019 г. Государственная комиссия рассмотрела вопрос технического состояния спутника 30 мая 2019 г. и приняла решение завершить наблюдательную программу «РадиоАстрона». Спутник успешно проработал 7.5 лет вместо запланированных трех. Связь с аппаратом прервалась из-за накопления бортовым приемо-передающим устройством высокого уровня космического излучения. В настоящий момент Астрокосмический центр ФИАН работает над завершением сбора, корреляции и архивации полученного громадного объема уникальных научных данных, международные научные группы продолжают обработку, анализ и публикацию результатов.

    Коллектив проекта выражает глубочайшую благодарность своим партнерам в реализации проекта в России и за ее пределами. Астрокосмический центр ФИАН надеется на продолжение сотрудничества в рамках проекта «Миллиметрон», который разовьет успехи «РадиоАстрона» в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн.

Н. Кардашев, Ю. Ковалев для АНИ «ФИАН-информ»

_____________________
Проект РадиоАстрон осуществляется Астрокосмическим центром Физического института им. П.Н. Лебедева Российской Академии наук и Научно-производственным объединением им. С.А. Лавочкина по контракту с Российским космическим агентством совместно с многими научно-техническими организациями в России и других странах.

С 10 января 2019 года специалистам НПО им. Лавочкина не удается наладить связь со спутником "Спектр-Р". В рамках командных сеансов со станциями дальней космической связи в Медвежьих Озерах и Уссурийске не включается бортовой передатчик широконаправленных антенн.

При этом есть хорошие новости. Станции слежения и сбора научной информации проекта в Пущино (Россия) и Грин Бенк (США) продолжают детектировать узкополосный сигнал на частоте 8.4 ГГц от высоконаправленной 1.5-метровой антенны "Спектр-Р". Более того, бортовой аппаратурой происходит захват частоты в рамках т.н. "замкнутой петли" при излучении сигнала на 7.2 ГГц с Земли в сторону спутника. Это косвенно свидетельствует, что питание на борту спутника есть, обеспечиваются необходимые условия сохранения работоспособности служебной и научной аппаратуры.

Предварительные оценки указывают на надежду на восстановление связи. Коллеги из НПО продолжают работу.

Наблюдения "РадиоАстрона" в рамках научной программы AO6 продолжатся как только связь будет восстановлена.

Мы ожидаем поступления новых заявок на конкурс AO7 к 21 января 2019 г. для формирования очередного, уже седьмого года сильной научной программы наблюдений наземно-космического интерферометра.

Н. Кардашев и Ю.Ковалев (АКЦ ФИАН) для АНИ "ФИАН-информ"

_____________________________

Проект РадиоАстрон осуществляется Астрокосмическим центром Физического института им. П.Н. Лебедева Российской Академии наук и Научно-производственным объединением им. С.А. Лавочкина по контракту с Российским космическим агентством совместно с многими научно-техническими организациями в России и других странах.

В июне 2018 г. к концу подходит пятый год открытой научной программы наблюдений наземно-космического радиоинтерферометра РадиоАстрон. С июля 2018 года стартует новый, шестой, этап наблюдательной программы – АО-6 на 2018-2019 гг.

 Художественное изображение РадиоАстрона.
Источник: АКЦ ФИАН

    AO-6 традиционно была сформирована из поданных на конкурс предложений, куда принимались заявки двух типов: “ключевая научная программа” (KSP) и “общее наблюдательное время” (GOT).

     Подробнее с правилами конкурса можно ознакомиться на сайте конкурса.

    Научная экспертиза поступивших проектов осуществлялась международным научным советом экспертов проекта РадиоАстрон, результаты утверждены его руководителем, академиком Н.С. Кардашевым. В международный совет экспертов на период AO-6 вошли:

– Matthew Lister (председатель, Университет Пердью, США),

– David Jauncey (CSIRO, Австралия),

– Alexander Pushkarev (КрАО, Россия), Olaf Wucknitz (MPIfR, Германия),

– Benito Marcote (JIVE, Голландия),

– Liz Humphreys (Европейская Южная Обсерватория).

    В рамках периода АО-6 для наблюдений было отобрано 13 проектов:

• GOT: “Слежение за изменениями видности суперкомпактных водяных мазерных пятен с целью изучения межзвездной микротурбулентности”, PI: Hiroshi Imai (Университет Кагошимы, Япония);

• KSP: “Мониторинг субструктуры в дисках рассеяния радиоизлучения пульсаров”, PI: Carl Gwinn (UCSB, США);

• GOT: “Двумерное картографирование межзвездного рассеивающего экрана в направлении пульсара в Крабовидной туманности”, PI: Robert Main (CITA, Канада);

• GOT: “Эпизодическая аккреция и выброс вещества в процессе формирования массивных звезд по наблюдениям РадиоАстрона в линии воды 22 ГГц”, PI: Ольга Баяндина (АКЦ ФИАН, Россия);

• GOT: “Наблюдение ярких “водяных фонтанов” и звездных водяных мазеров с высоким угловым разрешением”, PI: Михаил Щуров (АКЦ ФИАН, Россия);

• GOT: “Необычное АЯГ PKS 0521-365 под пристальным взором наземно-космического РСДБ”, PI: Eduardo Ros (MPIfR, Германия; Университет Валенсии, Испания);

• KSP: “Исследование межзвездного рассеяния с помощью наблюдений субструктуры рефракционного рассеяния в АЯГ с помощью наземно-космического радиоинтерферометра РадиоАстрон”, PI: Михаил Лисаков (АКЦ ФИАН, Россия);

• KSP: “Структура яркого загадочного блазара AO 0235+164 с двадцатикратным увеличением”, PI: Leonid Gurvits (JIVE, Голландия; TU Delft, Голландия);

• GOT: “Измерение угловых размеров быстро движущихся компонент в мегамазере NGC 4258”, PI: James Moran (CfA, США);

• GOT: “Заглядывая в область формирования джета радиогалактики Лебедь А”, PI: Uwe Bach (MPIfR, Германия);

• KSP: “Исследование наиболее глубоких областей джетов АЯГ и их магнитных полей”, PI: Jose L. Gomez (IAA, Испания);

• GOT: “Наблюдения активных галактических ядер методом многочастотного синтеза на частоте 22 ГГц”, PI: Виктор Зуга (АКЦ ФИАН, Россия);

• GOT: “N113 – выдающийся водяной мазер в области звездообразования в Большом Магеллановом Облаке”, PI: Андрей Соболев (УрФУ, Россия).

    Из представленного списка приоритет "A" (высший) имеют четыре проекта, "B" – семь, "C" – два проекта. Соавторы заявок представляют 20 стран мира в количестве более 150 человек. Наибольшее количество исследователей – из России, следом идут Германия, Испания, США, Австралия и Канада.

АКЦ ФИАН для АНИ «ФИАН-информ»

Международная команда исследователей, включающая учёных ФИАН, МФТИ и МГУ, с беспрецедентной точностью визуализировала образование струи плазмы в окрестности массивной чёрной дыры. Радиоизображение, сделанное с помощью комбинации телескопов в космосе и на Земле, позволило восстановить структуру струи с потрясающей детализацией на уровне всего лишь в пару сотен радиусов горизонта чёрной дыры. Астрономам впервые удалось достичь такого разрешения. Полученные данные заставляют астрофизиков пересмотреть устоявшиеся взгляды на формирование джетов. Работа опубликована в журнале Nature Astronomy.

Коллаж схематически показывает наземно-космический интерферометр «Радиоастрон» (сигналы отдельных телескопов объединяются при помощи интерференции радиоволн) слева и восстановленное изображение струи в галактике «Персей А», изображённое в псевдоцвете.
Размер в треть светового года показан справа жёлтой линией.
Источник: Pier Raffaele Platania INAF/IRA (коллаж); АКЦ ФИАН (изображение РадиоАстрона)

    Массивные чёрные дыры в центрах галактик превосходят массу Солнца в миллиарды раз. Уже давно известно, что некоторые из этих массивных чёрных дыр выбрасывают струи плазмы, которая течёт со скоростью, близкой к скорости света. Такие струи плазмы, называемые джетами, формируются в окрестности чёрной дыры и могут выходить далеко за пределы родной галактики. Над вопросом о том, как формируются джеты, астрофизики бьются многие годы. Долгое время не было технической возможности увидеть структуру этих струй достаточно близко к месту их зарождения, что необходимо для прямого сравнения информации, полученной из наблюдений, с теоретическими моделями образования джетов. Полученные из наблюдений «РадиоАстрона» данные позволят проверить теоретические модели и зададут дальнейшее направление их развития.

    По сей день учёными обсуждаются базовые гипотезы формирования выбросов плазмы в галактиках. Есть две конкурирующие идеи, которые были предложены ещё на рубеже 70–80-х годов прошлого века.

Фантазия художника на тему «Центр активной галактики с аккреционным диском
и яркой узкой симметричной струёй».
Источник: Вольфганг Штеффен, Институт астрономии
Национального автономного университета Мексики

    Одна – модель Блэнфорда-Знаека. В центре галактики находится сверхмассивная чёрная дыра массой в миллиарды масс Солнца. Она вращается, вокруг нее вращается аккреционный диск. Часть падающего на неё из аккреционного диска вещества, которая не засасывается чёрной дырой, выбрасывается наружу в виде струи. То есть узкий джет формируется благодаря крутящему моменту, получаемому от центральной сверхмассивной чёрной дыры.

    С этим представлением многие годы конкурировала модель Блэнфорда-Пейна. В рамках этой модели считается, что формирование горячих выбросов плазмы возможно через крутящий момент, уносимый от аккреционного диска. То есть сама черная дыра не играет ключевую роль в формировании джета.

    До последнего времени астрофизики, занимающиеся далекими галактиками, отдавали предпочтение модели Блэнфорда – Знаека: они склонялись к тому, что джеты в галактиках формируются центральной сверхмассивной чёрной дырой.

    Международная команда исследователей из восьми стран с помощью космического телескопа «РадиоАстрон» получила изображения джета, зарождающегося в окрестности центральной чёрной дыры галактики «Персей A» с ультравысоким угловым разрешением. Астрономам удалось получить детальное изображение основания джета в 10 раз ближе к границе чёрной дыры, чем это было возможно с наземными инструментами. Впервые получилось выявить новые детали области формирования струи.

    Полученные данные являются серьёзным аргументом в пользу гипотезы о том, что джет может формироваться с участием аккреционного диска. Возможно, что вклад в этот процесс от аккреционного диска даже является основным.

    «Мы публикуем первую карту "РадиоАстрона" для объекта, находящегося так близко к нам. Из-за его близости реализуемое линейное разрешение составляет величину всего лишь 12 световых дней на расстоянии 70 мегапарсек, или 230 миллионов световых лет! Благодаря такому беспрецедентному разрешению „РадиоАстрона“ мы увидели, что джет сразу стартует широким и имеет цилиндрическую форму. Быть с самого начала широким он может только при условии, если в его формировании значительную роль сыграл аккреционный диск. Это первый результат, который указывает на важность вклада диска», — комментирует соавтор этих результатов, заведующий лабораторией ФИАН и в МФТИ, член-корреспондент РАН Юрий Ковалев.

Радиоизображение джета в галактике «Персей А», полученное «РадиоАстроном».
Источник: Giovannini et al., Nature Astronomy

    Раньше, из-за ограничения параметров наземных телескопов, астрономы не имели такого высокого углового разрешения при наблюдении джетов, поэтому не могли измерить ширину джета в его основании. Из-за этого, общепринятой точкой зрения являлось то, что джеты стартуют узкими, и, следовательно, они формируются центральной чёрной дырой.

    Благодаря возможностям «РадиоАстрона», авторы работы обнаружили, что ширина джета в самом основании составляет порядка тысячи радиусов Шварцшильда (этот радиус определяет размер горизонта событий чёрной дыры). А ведь, согласно устоявшимся представлениям, размер джета у его основания должен быть как минимум на порядок меньше.

    «Это может означать, что, по крайней мере, внешняя часть струи запускается с аккреционного диска, окружающего чёрную дыру. Наш результат ещё не опровергает текущие гипотезы, в которых джеты запускаются из эргосферы – области пространства рядом с вращающейся чёрной дырой. Но, надеюсь, он даст теоретикам представление о структуре струи вблизи места запуска и подскажет, как модернизировать модели», — заключает доктор Туомас Саволайнен из Университета Аалто в Финляндии.

Для справки

    В рамках международного проекта «РадиоАстрон» в 2011 году на околоземную орбиту был запущен космический радиотелескоп. Главный элемент аппарата – 10-метровое зеркало. При запуске оно было в сложенном состоянии, чтобы габариты не превышали 3,5 метра – диаметр ракеты. При выходе на расчётную орбиту 27 лепестков раскрылись и сформировали параболоид вращения размером 10 метров с точностью 1 миллиметр. Этот телескоп был построен Научно-производственным объединением им. Лавочкина. Головной научной организаций является Астрокосмический центр Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, руководитель проекта – академик РАН Николай Кардашёв.

Космический телескоп проекта «РадиоАстрон» готовится к запуску.
Источник: НПО им. С.А. Лавочкина

    «"РадиоАстрон" реализует рекордное угловое разрешение до нескольких микросекунд дуги, эквивалентное радиотелескопу диаметром 350 000 км – почти расстояние между Землёй и Луной. На Земле с нами работает до 40 крупнейших радиотелескопов по всему миру. Сигналы отдельных телескопов, синхронизированные с помощью атомных часов, объединяются вместе в интерферометре для получения изображения при помощи специализированной обработки данных», — рассказывает Юрий Ковалев.

Наземные радиотелескопы, участвовавшие в наблюдениях «РадиоАстрона».
Источник: Paul Boven (Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.). Изображение со спутника: Blue Marble Next Generation,
любезно предоставлено NASA Visible Earth (visibleearth.nasa.gov).

АНИ «ФИАН-информ», совместно с пресс-службами МФТИ и МГУ

Российская космическая обсерватория «Радиоастрон» совместно с наземными радиотелескопами из нескольких стран смогла обнаружить экстремально компактные детали в удаленном от Земли на 2 тысячи световых лет источнике мазерного излучения в линии водяного пара на частоте 22 ГГц – двойная деталь содержит компоненты размером с наше Солнце. Результаты исследования опубликованы в The Astrophysical Journal.

    «Мы обнаружили самую маленькую структуру, когда-либо наблюдавшуюся в галактических мазерах и это еще раз показывает, какими возможностями обладает наш радиоинтерферометр - мы смогли различить объекты размером с диаметр солнечного диска на расстоянии в 700 парсек, угловые размеры которых 3000 раз меньше, чем мог различить знаменитый космический телескоп "Хаббл"», – говорит один из авторов работы, Алексей Алакоз из Астрокосмического центра ФИАН.

    Мазерное излучение, как и лазерное, возникает в среде с инверсной населенностью энергетических уровней (в обычной среде ситуация обратная), иначе говоря, в среде, где число молекул или атомов, находящихся на верхнем уровне энергии, превосходит число молекул или атомов, находящихся на нижнем. Когда в такую среду попадает фотон с энергией, соответствующей разности энергий между уровнями, он вызывает процесс перехода молекул на нижний уровень с излучением когерентных фотонов (являющихся почти точной копией исходных), в результате чего происходит лавинообразное усиление излучения – лазерного (если это происходит в видимом диапазоне) или мазерного (в микроволновом).

    В межзвездном газе тоже могут возникать условия для генерации мазерного излучения в линиях некоторых молекул (в протозвездных и протопланетных дисках, областях звездообразования, оболочках проэволюционировавших звезд, остатках сверхновых, в окрестностях сверхмассивных черных дыр в других галактиках), при этом наиболее сильное излучение наблюдается в линиях воды (H₂O), гидроксила (OH), метанола (CH₃OH) и окиси кремния (SiO).

    Для работы космического мазера необходим постоянный приток энергии, создающий инверсную заселенность уровней путем накачки излучением (например, от молодой звезды) и/или столкновениями с молекулами газа. Необходим также отток энергии, обеспечивающий работу циклов накачки, а также достаточно большие размеры самих облаков газа, где может генерироваться излучение.

    В том случае, если происходит резкое изменение условий накачки или два (или более) облака газа в процессе движения совмещаются на луче зрения наблюдателя, возможно резкое усиление излучения – вспышка мазера.

    Наиболее эффективно космические мазеры работают в качестве усилителей фонового излучения, но для слабых мазеров хватает усиления собственного спонтанного излучения.

    С точки зрения наблюдателя мазерные линии выглядит как обычное излучение, но яркостная температура наблюдаемого источника (рассчитанная, как если бы это было тепловое излучение абсолютно черного тела) зачастую может достигать сотен триллионов градусов, а ширина линий может быть значительно меньше нормальной для теплового излучения. При этом на самом деле излучающий газ имеет относительно низкую температуру – обычно не более нескольких сотен градусов.

    Из-за их небольших угловых размеров (несколько миллисекунд дуги и меньше), очень высоких плотностей потока (до тысяч Янских) и узкой ширины линии (обычно около 0,5 километров в секунду и меньше), отсутствия поглощения пылью, мазеры позволяют исследовать кинематику и физические параметры областей звездообразования по всей Галактике и даже околоядерных областей в других галактиках.

    Международная команда «Радиоастрона» исследовала область активного звездообразования «Цефей А» (по имени созвездия), находящуюся на расстоянии около 2 тысяч световых лет от Земли в линии излучения молекулы воды на частоте 22 Гигагерца.

    Ранее в этой области в радиодиапазоне уже было обнаружено 16 компактных источников теплового радиоизлучения – большинство из которых, скорее всего – новорожденные звезды класса О или В в "коконе" из родительских газопылевых облаков. Эти объекты были описаны в работе Hughes & Wouterloot 1984, поэтому таким объектам присвоены названия начинающиеся с HW. Со многими из этих объектов также связано излучение мазеров воды и гидроксила, а в HW2 ранее было зарегистрировано излучение метанольных мазеров, то есть источников мазерного излучения в радиолиниях метилового спирта. В ноябре 2012 года эта область звездообразования была исследована «Радиоастроном» совместно с тремя наземными радиотелескопами, расположенными в России, Италии и Испании.

    В результате удалось обнаружить три очень компактных мазерных детали, не разрешаемых до конца даже на наземно-космических базах, что примерно соответствует разрешению радиотелескопа с диаметром зеркала в три с лишним раза диаметра Земли. Одна из этих деталей связана с областью HW2, где расположен массивный протопланетный диск. Две другие детали наблюдаются в окрестностях другого объекта, HW3Diii. Всего в этом объекте удалось разглядеть два сверхкомпактных ярких пятна мазерного излучения, каждое из которых имеет размеры, сопоставимые с диаметром Солнца.

    По одной из наиболее вероятных версий, рассмотренных в статье, поток газа от близкой массивной молодой звезды, связанной с объектом HW3dii наталкивается на препятствие, связанное с объектом HW3Diii (вероятно, на аккреционный диск вокруг молодой звезды), в результате взаимодействия с этим препятствием в потоке газа образуется вихревая дорожка (дорожка фон Кармана), а наблюдавшиеся на «Радиоастроне» объекты представляют собой ближайшую к препятствию пару вихрей (пару турбулентных ячеек), где уплотнившийся газ получает близкие к идеальным условия для возникновения мазерного эффекта. Другое возможное объяснение этих наблюдательных данных – мазеры в различных сгустках газа, попавших одновременно на луч зрения.

    «Вероятнее всего, мы наблюдаем взаимодействие струи газа, выброшенной соседней звездой с каким-то препятствием, например аккреционным диском вокруг другой звезды. В таких струях возникают турбулентные явления, самым красивым из которых является образование дорожки вихрей (мы видим это и на спутниковых снимках земных облаков). В этих вихрях и возникают наблюдавшиеся нами сверхкомпактные мазерные детали. Различить отдельные ячейки турбулентности до сих пор не удавалось, несмотря на то, что знания об их размере необходимы для построения теории строения и эволюции космических объектов. Для проведения таких измерений потребовался "Радиоастрон" – самый большой прибор, созданный человеком», – прокомментировал результаты космического проекта первый автор статьи, Андрей Соболев из Уральского федерального университета.

АКЦ ФИАН для АНИ «ФИАН-информ»

___________________________

От редакции. Изображение предоставлено авторами

    РадиоАстрон наблюдает в настоящий момент по программе AO-4. С июля 2017 года стартует пятый год открытой научной программы, который продлится до июня 2018 года. В июле 2017 года запланирована коррекция орбиты спутника «Спектр-Р» для исправления ожидаемой в первой половине 2018 года длительной тени и опасного сближения с Землей. АКЦ ФИАН, НПО им. С.А. Лавочкина и ИПМ им. М.В. Келдыша предпримут все усилия для минимизации потерь наблюдательного времени в июле и августе 2017 года из-за проведения коррекции.

    На конкурс AO-5 принимались заявки двух типов: «ключевая научная программа» (KSP) и «общее наблюдательное время» (GOT). (См. подробнее правила конкурса по ссылке). Научная экспертиза поступивших проектов была осуществлена международным научным советом экспертов РадиоАстрон, и результаты утверждены руководителем проекта РадиоАстрон академиком Н.С. Кардашевым. В международный совет экспертов РадиоАстрон на период AO-5 вошли: Jason Hessels (университет Амстердама, Нидерланды), Dave Jauncey (CSIRO, Австралия), Matthew Lister (университет Пердью, США), Александр Пушкарев (КрАО, Россия), Mark Reid (председатель, Центр астрофизики Гарварда, США), Olaf Wucknitz (MPIfR, Германия). Ниже приведен список 11 проектов, отобранных для наблюдений в рамках периода AO-5, в порядке их поступления на конкурс:

•    GOT: «Исследование межзвездной микротурбулентности по наблюдениям видности гиперкомпактных пятен мазеров водяного пара», PIs: Hiroshi Imai (Kagoshima U., Япония), Алексей Алакоз (АКЦ ФИАН, Россия);

•    GOT: «Мониторинг субструктуры кружков рассеяния радиоизлучения пульсаров», PI: Carl Gwinn (UCSB, США);

•    GOT: «Ярчайшие объекты далекой Вселенной», PI: Леонид Гурвиц (JIVE и TU Delft, Нидерланды);

•    KSP: «Эволюция высокой яркостной температуры ядер активных галактик», PI: Юрий Ковалев (АКЦ ФИАН, Россия);

•    KSP: «Изучение внутренних областей ядер активных галактик и их магнитных полей», PI: Jose-Luis Gomez (IAA, Испания);

•    GOT: «Исследование межзвездного рассеивающего вещества при помощи интенсивных наблюдений рефракционной субструктуры активных галактик на РадиоАстроне», PI: Михаил Лисаков (АКЦ ФИАН, Россия);

•    GOT: «Наблюдения центральной области мазерного излучения водяного пара в NGC 4258 с экстремальным угловым разрешением», PI: Willem Baan (ASTRON, Нидерланды);

•    GOT: «Ранние стадии образования массивных звезд по данным изучения мазерных линий водяного пара на РадиоАстроне», PI: Stan Kurtz (UNAM, Мексика);

•    KSP: «Гравитационное красное смещение с РадиоАстроном», PI: Валентин Руденко (ГАИШ МГУ, Россия);

•    KSP: «Структура центральной области в активной галактике M87», PI: Tuomas Savolainen (Aalto U., Finland; MPIfR, Germany);

•    GOT: «Разрешая область генерации гамма-излучения в J0211+1051 и S5 1044+71», PI: Victor Patino-Alvares (MPIfR, Германия).

   Из представленного списка приоритет "A" (высший) имеют шесть проектов. Соавторы заявок представляют 20 стран мира в количестве более 160 человек. Наибольшее количество исследователей — из России, следом идут США, Германия, Испания, Нидерланды, Австралия, Канада и др.

Абсолютный рекорд углового разрешения. Опять

    В то время, как читатели могут насладиться свежими научными публикациями результатов РадиоАстрона, нам приятно объявить об очередном абсолютном рекорде углового разрешения, достигнутом интерферометром. Мегамазер воды в NGC4258 был успешно измерен на длине волны 1.3 см на наземно-космической базе Спектр-Р – Медичина (Италия). Величина проекции базы составила 340 000 км (26.7 диаметров Земли, разрешение 8 микросекунд дуги). Предыдущий рекорд величиной в 11 микросекунд дуги на том же мегамазере был установлен РадиоАстроном совместно с телескопом GBT (США). В этом соревновании за рекордное угловое разрешение не сильно уступают и квазары. Ультра-компактное ядро любимого многими квазара 3C 279 было успешно зарегистрировано РадиоАстроном при участии американской решетки VLA на длине волны 1.3 см с проекцией базы интерферометра 235 000 км (18.5 диаметров Земли, разрешение 12 микросекунд дуги). Эти результаты уникальны и крайне важны для исследования физики излучения как мазеров водяного пара в дисках галактик, так и компактных ядер квазаров.

Н. Кардашев, Ю. Ковалев для АНИ «ФИАН-информ»

__________________________

Проект РадиоАстрон осуществляется Астрокосмическим центром Физического института им. П.Н. Лебедева Российской Академии наук и Научно-производственным объединением им. С.А. Лавочкина по контракту с Российским космическим агентством совместно с многими научно-техническими организациями в России и других странах.

«Радиоастрон» уличил классический квазар 3C273 в превышении «разрешенной» температуры.

    Квазар 3C273, открытый еще в 1963 году, загадал новую загадку астрономам – наблюдения за ним с помощью телескопа «Радиоастрон» показали, что он имеет эффективную температуру от 10 до 40 триллионов градусов, и это примерно в 10 раз выше значений, которые допускает теория, говорится в статье, опубликованной в ведущем научном журнале Astrophysical Journal Letters.

    «Это противоречит нашим представлениям о природе излучения квазаров. Полагаю, за этим поразительным результатом скрывается новая глава в изучении дальней Вселенной», – говорит руководитель проекта «Радиоастрон», руководитель Астрокосмического центра ФИАН Николай Кардашев.

    В центре спиральных галактик находятся сверхмассивные черные дыры, масса которых может в миллионы и миллиарды раз превышать массу Солнца. Некоторые из них ведут себя крайне неспокойно – это так называемые активные ядра галактик, которые испускают мощные потоки электромагнитного излучения. В класс таких объектов входят и квазары, которые являются одними из самых ярких объектов во Вселенной. Первые из них были обнаружены еще в 1950-е годы, их назвали «радиозвездами», поскольку сначала считали объектами нашей Галактики. Однако ученых смущал их совсем не звёздный спектр. В 1963 году в созвездии Девы был обнаружен квазар 3C273, измерено его красное смещение, и стало понятно, что эти «квази-звезды» – ядра далеких активных галактик, находящиеся на расстоянии в миллиарды световых лет. Это компактные объекты, яркость которых может превышать яркость целой галактики. Сверхмассивные черные дыры в центрах квазаров притягивают материю, она нагревается до сверхвысоких температур и ее часть выбрасывается прочь в виде быстрых и узких плазменных струй – джетов.

Художественное  изображение центра активной галактики
(© Wolfgang Steffen, институт астрономии, UNAM, Мексика)

    Исследование квазаров позволяет лучше понять физику экстремальных состояний материи, и, в частности, изучить как «работают» сверхмассивные черные дыры. Наземно-космический интерферометр «Радиоастрон» – один из самых совершенных инструментов для этого. Он состоит из российского космического радиотелескопа «Спектр-Р», работающего совместно с крупнейшими наземными телескопами. Для исследований квазара 3C273 на Земле астрономы привлекли 100-метровый радиотелескоп в Эффельсберге (Германия), 110-метровый в Гринбэнке, 300-метровый телескоп Аресибо, и решетку VLA (США). Работая совместно, космическая и наземные радиообсерватории способны дать наивысшее угловое разрешение, когда-либо достигнутое в астрономии – в тысячи раз выше, чем у космического телескопа «Хаббл».

    Именно возможности «Радиоастрона» позволили авторам исследования впервые зарегистрировать экстремальную яркость ядра квазара – в результате было получено значение эффективной температуры от 20 до 40 триллионов градусов Кельвина. Заметим, эффективная температура в данном случае лишь косвенно связана с «обычной» температурой, этим термином ученые обозначают температуру абсолютно черного тела, которое излучало бы с обнаруженной яркостью.

    Это значение поставило ученых в тупик: дело в том, что эффективная температура плазмы, из которой состоят джеты квазаров, не может превышать 500 миллиардов градусов. Потолок температуры связан с так называемой обратной комптоновской катастрофой – если энергия электронов превышает этот предел, они начинают лавинообразно передавать энергию фотонам и охлаждаться. Но квазар 3C273 нарушает это ограничение, даже учет известного эффекта релятивистского усиления оказывается недостаточным для объяснения этого феномена.

    «Каким-то образом ядро квазара умудряется держать температуру экстремально высокой. Мы высказали несколько идей, включая излучение релятивистских протонов. Будем разбираться. Это тот тип счастливых научных открытий, который обязательно поможет нам лучше понять принцип работы квазаров», - говорит руководитель научной программы «Радиоастрона», заведующий лабораторией АКЦ ФИАН Юрий Ковалев.

В РОЛИ ГАЛАКТИЧЕСКОГО РЕНТГЕНА

    Высокое разрешение «Радиоастрона» позволило ученым с помощью квазара 3C273 получить «рентгеновский снимок» нашей собственной Галактики. В изображении квазара удалось разглядеть неоднородности – яркие пятнышки, которые появились при прохождении излучения сквозь межзвездную среду Млечного пути.

 Пример искажения изображения космического объекта при прохождении излучения через межзвездную среду в нашей галактике. Слева – картинка без рассеяния, справка – изображение того же объекта, но с яркими пятнами так называемой суб-структуры рассеяния
(© Michael Johnson, Harvard-Smithsonian CfA, США)

    «Точно так же, как пламя свечи искажает изображение, на которое смотрят сквозь горячий воздух над ней, турбулентности плазмы нашей собственной Галактики искажают изображения далеких астрофизических объектов, таких как квазары», – объясняет Майкл Джонсон из Гарвард-Смитсонианского астрофизического центра.

    Результаты опубликованы в отдельной статье группы проекта «Радиоастрон», сразу следом за первой обсуждавшейся выше публикацией, в Astrophysical Journal.

    «Квазары так компактны, что мы никогда ранее не могли видеть эти искажения. Поразительное угловое разрешение «Радиоастрона» дало нам новый инструмент, чтобы понять экстремальную физику по соседству с центральными сверхмассивными черными дырами в далеких галактиках и свойства диффузной плазмы, наполняющей нашу собственную Галактику», - отмечает он.

    Это первый квазар, для которого ученые обнаружили эффект субструктуры рассеяния. Теперь им предстоит более детально изучить богатые данные наблюдений «Радиоастрона» многих квазаров, чтобы получить подробную информацию об особенностях межзвездной среды на основе анализа субструктур в их изображениях.

АКЦ ФИАН для АНИ «ФИАН-информ»

P.S. Материал снован на научных статьях:

• Kovalev et al., 2016, Astrophysical Journal Letters, 820, L9;
• Johnson et al., 2016, Astrophysical Journal Letters, 820, L10.

Контакт научной группы: Юрий Ковалев, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

_____________________________________________

Справка:

    Проект «Радиоастрон» разработан в Астрокосмическом центре Физического института им. П.Н. Лебедева РАН и НПО им. С.А. Лавочкина, в кооперации с рядом российских и международных организаций. Идея проекта состоит в создании наземно-космического радиоинтерферометра со сверхдлинной базой в несколько сотен тысяч километров, чего невозможно достичь с использованием наземных радиотелескопов.

^{Художественное изображение космического радиотелескопа «Спектр-Р»
проекта наземно-космического интерферометра «РадиоАстрон»}

    Космический аппарат «Спектр-Р» с 10-метровым радиотелескопом был запущен с космодрома Байконур в июле 2011 года и выведен на эллиптическую орбиту с апогеем до 350 тысяч километров. Работая совместно с крупнейшими наземными радиотелескопами, он смог получить самое высокое угловое разрешение в истории астрономии – до 8 микросекунд дуги. Основные направления исследований: ядра галактик и массивные черные дыры, пульсары и межзвездная среда, галактические и внегалактические мазеры,  гравитационная астрономия.

Наземно-космический интерферометр «РадиоАстрон» получил изображение ядра активной галактики с рекордным угловым разрешением в истории астрономии.

    Российский космический радиотелескоп «Радиоастрон» совместно с 15 наземными радиотелескопами из России (сеть «Квазар-КВО»), Европы и США, во время наблюдений активного ядра галактики в созвездии Ящерицы, объекта BL Lacertae, получил изображения с самым высоким угловым разрешением в истории астрономии. Учёные смогли разглядеть на них особенности структуры джетов – гигантских струй вещества, которые выбрасывает сверхмассивная черная дыра в центре этой галактики, и восстановить структуру магнитного поля говорится в статье, опубликованной в Astrophysical Journal.

    Интерферометрия со сверхдлинной базой (РСДБ или VLBI) используется в радиоастрономии с 1974 года, она основана на наблюдении одного и того же объекта с помощью нескольких независимых радиотелескопов, разделённых определенным расстоянием (его называют «базой») и «складывании» полученных сигналов. Полученная «картинка» эквивалентна той, которую мог бы дать гигантский радиотелескоп с диаметром зеркала равным расстоянию между телескопами интерферометра. Развитие этого метода наблюдений сдерживалось физическим барьером – телескопы нельзя было разнести на расстояние большее, чем диаметр Земли. С конца 1970-х годов астрофизик Николай Кардашев и его коллеги разрабатывали проект наземно-космического интерферометра, который мог бы преодолеть это ограничение.

    В 2011 году этот проект был осуществлён, на орбиту был выведен космический аппарат «Спектр-Р». На нем был установлен радиотелескоп с диаметром зеркала 10 метров, что позволило создать самый большой в истории наземно-космический радиоинтерферометр с базой практически равной расстоянию до Луны. С момента своего запуска «Радиоастрон» успешно работает и проводит совместные наблюдения с крупнейшими радиотелескопами Земли.

    В ходе сеанса наблюдений, проведённого на самой короткой длине волны интерферометра(1,3 см) с  участием 15 наземных радиотелескопов, ученые смогли добиться рекордного углового разрешения – 21 микросекунда дуги.

    «Это более чем тысячу раз лучше разрешения космического телескопа "Хаббл", оптический телескоп с таким угловым разрешением мог бы разглядеть спичечный коробок на поверхности Луны», - говорит руководитель научной программы проекта из Астрокомического центра ФИАН Юрий Ковалев.

Самый крупный астрономический телескоп в истории.
При наблюдениях галактики BL Lacertae в созвездии Ящерицы на длине волны 1.3 см,
РадиоАстрон сформировал виртуальный телескоп размером в 8 диаметров Земли. В результате этих наблюдений удалось разрешить структуры размером в 6 тысяч астрономических единиц (одна астрономическая единица соответствует расстоянию от Земли до Солнца). Это примерно в 30 меньше, чем облако Оорта в Солнечной системе и в 45 раз меньше, чем расстояние от Солнца до ближайшей звезды Альфа Центавра. На рисунке проведено сравнение полученного изображения галактики BL Lacertae с Солнцем или Альфа Центавра, если бы последние находились на том же расстоянии, что и BL Lacertae.
(© MPIfR/А. Лобанов)

    Он и его коллеги наблюдали за поведением объекта BL Lacertae. Это блазар, сверхмассивная черная дыра, окруженная диском плазмы, разогретой до температур в миллиарды градусов. Мощные магнитные поля и высокие температуры формируют джеты – струи газа длиной до нескольких световых лет. Теоретические модели предсказывали, что из-за вращения черной дыры и аккреционного диска, линии магнитного поля должны формировать спиральные структуры, которые в свою очередь ускоряют поток вещества в джетах. Ученым с помощью «Радиоастрона» смогли увидеть эти спиральные структуры, а также зоны ударной волны в области формирования джета, что позволило лучше понять как работают эти самые мощные во Вселенной источники излучения.

    «Ядро галактики оказалось экстремально горячим. Если бы мы попытались воспроизвести эти физические условия на Земле, то получили бы зону с температурой более триллиона градусов», – прокомментировал результаты научный сотрудник Института радиоастрономии общества Макса Планка Андрей Лобанов.

И. Ферапонтов для АНИ «ФИАН-информ»

    В дополнение, научной группой подготовлен видеоматериал с рассказом о полученных результатах (для просмотра щелкнуть мыщью на изображении):

____________________________________________________

Проект «РадиоАстрон» осуществляется Астрокосмическим центром Физического института им. П.Н. Лебедева РАН и Научно-производственным объединением им. С.А. Лавочкина по контракту с Роскосмосом совместно с многими научно-техническими организациями в России и других странах.

Оригинальная статья:
J. L. Gómez et al. "Probing the innermost regions of AGN jets and their magnetic fields with Radioastron. I. Imaging BL Lacertae at 21 microarcsecond resolution". The Astrophysical Journal, том 817, статья id. 96 (2016); препринт ArXiv:1512.04690