С помощью наземно-космического интерферометра проекта «РадиоАстрон» международной командой ученых впервые зарегистрировано излучение мазеров воды от внегалактического объекта – аккреционного диска в галактике Мессье 106, а также в нескольких областях образования звезд в нашей галактике. Восстановлено изображение водяного мазера в области звездообразования W3 IRS5 с экстремальным разрешением около 7 диаметров Солнца. 

Первые наблюдения внегалактического мазера

    Радиоинтерферометр со сверхдлинными базами – инструмент для наблюдений космических объектов в радиодиапазоне с целью получения высокого углового разрешения. Он может состоять из двух или более антенн, разнесенных на большое расстояние. Возможность инструмента изучать компактные космические объекты с высокой детализацией определяется расстоянием между составляющими его антеннами и называется угловым разрешением. Космический телескоп Спектр-Р проекта «РадиоАстрон» позволяет увеличить максимальное расстояние между антеннами почти до размера лунной орбиты. Разрешение такого интерферометра может превышать возможности наземных инструментов в 25-30 раз.

    Международная группа ученых, работающая над исследованием космических мазеров (природных «лазеров» в радиолиниях молекул водяного пара и гидроксила) в проекте «РадиоАстрон», сообщила об успешных наблюдениях с помощью наземно-космического интерферометра мазерного излучения водяного пара от галактики NGC 4258 (Мессье 106), находящейся на расстоянии примерно 24 млн. световых лет в направлении созвездия Гончих Псов. В этой галактике, являющейся типичным представителем целого класса  объектов, мазерное излучение наблюдается в виде многочисленных компактных пятен, находящихся в газовом аккреционном диске вокруг сверхмассивной черной дыры в центре. Из-за большой светимости, превышающей в миллионы раз светимость мазеров в областях звездообразования и оболочках звезд нашей галактики этим объектам присвоили термин «мегамазеры».

    Источником энергии для накачки таких мазеров может быть рентгеновское излучение центральной части галактики. Существование множества наблюдаемых компонент объясняется неустойчивостями и турбулентностью в аккреционном диске. Поскольку они связаны с веществом диска, то по располо¬жению и движению этих деталей можно изучать структуру и кинематику диска и, что особенно важно, определять расстояние до галактики.

    В ходе эксперимента сигнал был зарегистрирован на базах между космическим радиотелескопом и 2 наземными станциями (100-метровый радиотелескоп в Грин-Бэнке, США и 32-метровый телескоп в Торуне, Польша). Проекция базы интерферометра в этих наблюдениях достигала размеров, равных примерно двум диаметрам Земли, что соответствует угловому разрешению около 110 микросекунд дуги.

    Главный научный сотрудник УрФУ А.М. Соболев прокомментировал:

    «Успешная регистрация внегалактического мазера в рамках проекта «РадиоАстрон» показала принципиальную возможность проведения исследований таких объектов методом космической интерферометрии, который позволяет многократно улучшить угловое разрешение. Кроме технических сложностей, существует ряд естественных физических причин, по которым такие наблюдения могли быть невозможны. К ним относятся чрезвычайно высокая направленность мазерного излучения, рассеяние излучения в самом объекте и на пути к нему. Высокое угловое разрешение необходимо, в частности, для точного определения положений космических мазеров и исследования движений газа в околоядерных дисках других галактик. Эти данные чрезвычайно важны для измерения расстояний до внегалактических объектов и изучения структуры Вселенной.»

Заведующий лабораторией АКЦ ФИАН, Алексей Алакоз добавил:

    «То, что нам удалось увидеть мазерное излучение от NGC 4258 – это очень большой успех, ведь из-за далекого расстояния до объекта, а это около 24 миллионов световых лет, наблюдаемый поток оказывается достаточно слабым и для его регистрации требуется очень хорошая работа всех составляющих интерферометра. Тем не менее, нами был получен интерференционный отклик с очень хорошим отношением сигнал/шум, что открывает принципиально новые возможности по изучению внегалактических мазеров с большим угловым разрешением».

Рисунок 1. Кросс-корреляционные спектры мазерного излучения NGC4258,
полученные между 10-метровым космическим радиотелескопом Спектр-Р (РадиоАстрон) и наземными телескопами:
100-м радиотелескопом в Грин-Бэнке (вверху) и 32-м радиотелескопом в Торуне (внизу).
По осям отложены: амплитуда коррелированного сигнала в относительных единицах и лучевая скорость спектральной детали в км/с относительно местного стандарта покоя в км/с. В верхней части каждого рисунка показана фаза в градусах в зависимости от скорости спектральной детали. В области, где интерферометрический сигнал от мазерных компонент отсутствует или теряется в шумах, фаза изменяется хаотически между соседними каналами

Мазеры в областях звездообразования Orion KL, W49 N, W3(H₂O)

    Другая важная часть научной программы проекта «РадиоАстрон» посвящена изучению космических мазеров в окрестностях молодых звезд, формирующихся внутри облаков межзвездного газа в нашей галактике. Они не столь мощны, как мегамазеры, но намного ближе и, следовательно, значительно ярче. Поэтому наблюдать их проще. Научной группе удалось обнаружить излучение еще от нескольких таких областей.

    В ходе исследований был обнаружен сигнал от очень компактного водяного мазера, связанного с ближайшей к нам областью образования массивных звезд Orion KL, которая расположена на расстоянии около 1370 световых лет от Солнца и является частью комплекса молекулярных облаков в созвездии Ориона. В этом объекте протекают активные процессы звездообразования, сопровождающиеся мощным мазерным излучением в линии водяного пара.

    Наблюдаемая компактная мазерная деталь вероятнеее всего связана со струйным истечением из аккрецирующего молодого звездного объекта. Оценки показывают, что яркостная температура излучения мазера может превышать 10¹⁵К.

    Коррелированный сигнал был получен в двух экспериментах между  космическим радиотелескопом Спектр-Р (РадиоАстрон) и наземным 40-метровым радиотелескопом в Йебесе (Испания), 32-метровым радиотелескопом в Торуне (Польша) и 26-метровым радиотелескопом под Йоханнесбургом (ЮАР). Проекция базы интерферометра во время наблюдений достигала до 3,5 диаметров Земли, что соответствует угловому разрешению  около 63 микросекунд дуги. На расстоянии до Orion KL это соответствует линейному размеру примерно в 3 диаметра Солнца.

    18 апреля 2014 были проведены успешные наблюдения одного из наиболее удаленных источников мазерного излучения в Галактике – области звездообразования W49 N, находящейся в спиральном рукаве Персея на расстоянии около 36 тыс. световых лет. Совместно с космическим радиотелескопом Спектр-Р (РадиоАстрон) в эксперименте принимал участие 100-метровый телескоп в Эффельсберге (Германия). Проекция базы интерферометра во время наблюдений достигала трёх диаметров Земли, угловое разрешение составляло около 73 микросекунд дуги. Эта регистрация имеет большую важность, так как она показала, что наличие межзвездного рассеяния не исключает возможности существования сверхкомпактных структур в изображениях мазерных источников, находящихся в плоскости Галактики на больших расстояниях от Земли.

    Научная группа продолжает работать над улучшением процедуры анализа, в результате обработки данных был обнаружен интерферометрический отклик, в данных, полученных в 2012 г., при наблюдении комплекса ярких водяных мазеров W3 (H₂O). Сигнал был зарегистрирован на проекциях базы до 3,8 диаметров Земли между космическим радиотелескопом Спектр-Р (РадиоАстрон) и наземными антеннами в Эффельсберге и Йебесе, размеры радиоинтерферометрических лепестков составляли примерно 58 микросекунд дуги. Эти наблюдения позволят получить оценки яркостных температур и размеров мазерных источников.

Картографирование водяных мазеров

    Рабочей группой получены результаты картографирования водяных мазеров в области звездообразования W3 IRS5 на наземно-космическом интерферометре «РадиоАстрон». Наблюдения проводились 17 октября 2013 г. Совместно с космическим телескопом Спектр-Р в эксперименте принимали участие Европейская РСДБ сеть (EVN), а также российские радиотелескопы системы Квазар-КВО. Значимый интерференционный сигнал был получен при масштабе проекции базы около 6 диаметров Земли, что позволило достичь рекордного для наблюдений мазеров углового разрешения в 36 микросекунд дуги.

    Изображение самой яркой компоненты мазера в W3 IRS5 и ее положение представлено на рисунке 2. Изображение мазерного пятна имеет протяженную структуру (серые контуры) с очень компактной деталью (черные контуры) около центра, видимой на наземно-космических базах.

Рисунок 2. Область образования звезд W3 IRS5.

Слева: контурное изображение самого яркого из зарегистрированных мазерных пятен в линии H₂O.
Распределения яркости, полученные только на наземных базах и только на наземно-космических базах, показаны серыми и черными контурами, соответственно.

Справа: карта распределения мазерных деталей полученная на японском интерферометре VERA.
Коричневые и черные контуры показывают распределение яркости излучения в континууме на 7 мм и 13 мм, соответственно. Положение самой яркой из компактных деталей, обнаруженной на «РадиоАстроне», показано стрелкой

    Алексей Алакоз уточнил:

    «Нашей группой проведен совместный анализ данных "РадиоАстрон" и японского интерферометра VERA, что позволило определить форму и положение компактных деталей мазера, наблюдавшихся на наземно-космических базах. Это дает новые данные о структуре и физических характеристиках мазеров в этой области звездообразования и позволяет уточнить механизм накачки».

    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. Жебит, АНИ «ФИАН-Информ»