Ученые из России, Германии, Финляндии и США изучили больше 300 квазаров — вращающихся черных дыр, из которых «бьют» горячие струи плазмы, — и обнаружили, что эти выбросы меняют свою форму при удалении от черной дыры с параболы на конус. Это напоминает знаменитые брюки клеш. Сняв размеры «брюк», ученые смогут разобраться, как разгоняется вещество в центральных машинах далеких активных галактик. Работа опубликована в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Маяки Вселенной

    Квазары — одни из самых ярких объектов в космосе. При этом они находятся очень далеко — в миллиардах световых лет от Земли. Их называют маяками Вселенной: можно не только изучать по ним ее структуру и эволюцию, но и использовать их для навигации на Земле. Из-за своей чрезвычайной удаленности квазары можно считать неподвижными точками и относительно них измерять параметры вращения Земли и координаты точек на ее поверхности. Это используется в системах ГЛОНАСС и GPS.

Рисунок 1. Иллюстрация центра квазара. На ней видны: черная дыра, вращающийся аккреционный диск из пыли и газа, плазменная струя в магнитном поле, закрученное магнитное поле в основании выброса и облака межзвездного газа вокруг струи. Ученые установили, что струя меняет свою форму с удалением от центра, напоминая знаменитые брюки-клеш из моды 70-х.
Изображение: Дарья Сокол, пресс-служба МФТИ

    Квазары такие яркие, что они видны с огромных расстояний, из-за вращающейся сверхмассивной черной дыры с массой до нескольких миллиардов масс Солнца (рисунок 1). Черная дыра притягивает к себе окружающее вещество. Но, что более важно, вместе с веществом она собирает вокруг себя магнитное поле. Силовые линии поля работают как проволоки с нанизанными бусинами — заряженными частицами (рисунок 2). Когда силовые линии вращаются, частицы ускоряются почти до скорости света. Эти течения называются релятивистскими джетами, и именно они делают квазары такими яркими.

Рисунок 2. Схема плазменного джета. Если представить силовые линии магнитного поля как проволочки, торчащие из диска, а заряженные частицы — как нанизанные на них бусины, то при раскручивании диска бусины будут с ускорением подниматься вверх.
Изображение: Елена Нохрина и Дарья Сокол, МФТИ

Дотянуться до небес

    Ранее считалось, что джеты имеют форму конусов. Ученые нашли всего несколько исключений из этого правила.

    Авторы нового исследования наблюдали за сотнями квазаров в течение двух десятков лет с помощью сети радиотелескопов, раскинутой по миру. В результате были получены изображения более 300 объектов и проведен автоматический анализ формы их джетов. Таким образом были найдены 10 квазаров, параболические силуэты джетов которых трансформировались в конические (рисунок 1). Причем рассмотреть эту трансформацию ученым позволило близкое расположение объектов. Оказалось, что весь десяток находится на расстоянии «всего» в сотни миллионов световых лет. Изменение формы выброса происходит на расстоянии в несколько десятков световых лет от черной дыры.

    «Вопрос о механизме формирования и ускорения струй в далеких активных галактиках до сих пор плохо понят. А разобраться в принципах работы этих космических ускорителей крайне важно. Область, в которой джеты формируются, сложно рассмотреть. Она очень компактная, а объекты находятся далеко — там все просто сливается вместе. Были разные теоретические модели, но не было наблюдательной информации, которая могла бы их проверить. Нам впервые удалось получить детальные данные о геометрии струйных выбросов для большого количества квазаров», — говорит Юрий Ковалев, член-корреспондент РАН, руководитель научных лабораторий в ФИАН и МФТИ.

Постижение недоступного

    Геометрия джета зависит от баланса внутренних и внешних сил, магнитного поля, плазмы джета и межзвездного газа. Авторам работы удалось элегантно учесть это, и в результате форма джета естественным образом меняется в их теоретической модели с параболы на конус. Центральная машина, состоящая из вращающейся черной дыры и магнитного поля, имеет ограниченный запас мощности, как любой двигатель, и не может ускорять частицы бесконечно. Ранее было известно, что плазма хорошо ускоряется только до определенной скорости, а потом ускорение столь медленно, что им можно пренебречь. Именно эта точка остановки ускорения и соответствует месту «клешения».

    «Изменение формы выбросов наблюдалось в паре-тройке галактик и в более ранних исследованиях. Но не было сделано важного вывода о том, что это не особенности какого-то определенного объекта, а свойство квазаров как класса. Нам удалось связать этот эффект с внутренними характеристиками струй. Это оказалось лаконичным и естественным объяснением», — поясняет Елена Нохрина, кандидат физико-математических наук, заместитель заведующего лабораторией фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ.

    Теперь у ученых появилась новая возможность оценить скорость вращения центральной черной дыры и разобраться в механизме формирования узких и очень быстрых выбросов плазмы в квазарах. Настолько ярких, что они видны с расстояний в миллиарды световых лет.

АКЦ ФИАН и пресс-служба МФТИ

_____________________________

1. Работа поддержана грантом Российского научного фонда 16-12-10481.

2. Лаборатория фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной Физтех-школы физики и исследований им. Ландау МФТИ под руководством Юрия Ковалева, член-корреспондента РАН, зав. Лабораторией внегалактической радиоастрономии АКЦ ФИАН, занимается как изучением джетов квазаров, так и исследованием структур магнитосферы пульсаров, аккреционных дисков и струйных выбросов из молодых звезд, изучением двойных черных дыр и других тесных двойных систем