Двадцатилетние наблюдения за далекой активной галактикой заставили астрономов пересмотреть представления о том, как работают одни из самых мощных космических источников излучения. Объект PKS 2155-304, расположенный примерно в 1,5 миллиарда световых лет от Земли, десятилетиями наблюдался в разных диапазонах электромагнитного спектра. Когда данные за отдельные периоды объединили в единую картину, оказалось, что излучение галактики ведет себя значительно сложнее, чем предполагает распространенная модель.
Главная проблема связана с тем, что оптическое, рентгеновское и гамма-излучение не демонстрируют устойчивой связи друг с другом. Если бы излучение действительно возникало в одной области джета и производилось одной популяцией электронов, изменения яркости в разных диапазонах должны были бы определенным образом повторять друг друга. За два десятилетия наблюдений такой устойчивой картины не обнаружилось.
Более того, исследователи нашли признаки дополнительного компонента излучения, который появился в данных 2012 года в период, когда блазар не находился в состоянии сильной вспышки. Это может указывать на участие протонов и других адронов, а не только электронов. Такой вариант особенно интересен потому, что процессы с участием высокоэнергичных протонов способны быть связаны с образованием нейтрино.
Результат не означает, что прежняя модель полностью ошибочна. Он показывает, что процессы ускорения частиц и формирования излучения в джетах активных галактик могут быть значительно разнообразнее, чем предполагалось.
Что такое блазар
PKS 2155-304 относится к блазарам — особому классу активных галактик.
В центре практически каждой крупной галактики находится сверхмассивная черная дыра. В некоторых случаях она активно поглощает окружающее вещество. Газ и пыль образуют вокруг черной дыры аккреционный диск, нагреваются и начинают интенсивно излучать.
Однако часть энергии процесса может проявляться еще более необычным образом. Вдоль оси вращения системы из области около черной дыры формируются узкие потоки вещества и электромагнитного излучения — релятивистские джеты. Частицы в них движутся со скоростями, близкими к скорости света.
Если один из таких джетов направлен почти непосредственно в сторону Земли, наблюдаемый объект называют блазаром.
Такое положение существенно усиливает видимую яркость источника. Излучение джета оказывается направленным в нашу сторону, и переменность источника может становиться очень заметной.
Поэтому блазары относятся к наиболее ярким и переменным объектам Вселенной. Их излучение может охватывать практически весь электромагнитный спектр — от радиоволн до гамма-лучей.
При этом наблюдатель с Земли фактически не видит джет «сбоку». Он смотрит почти прямо вдоль его направления. Из-за этого структура источника оказывается скрыта за чрезвычайно ярким точечным излучением.
Именно эта особенность делает блазары одновременно чрезвычайно интересными и чрезвычайно сложными для изучения.
Почему один снимок не рассказывает всей истории
Блазар нельзя представить как обычную галактику, которая просто светит с постоянной яркостью.
Его излучение меняется во времени. Причем изменения происходят в разных диапазонах не обязательно одновременно.
Оптическая яркость может изменяться одним образом, рентгеновская — другим, а гамма-излучение — третьим. Иногда различия проявляются даже в пределах одного наблюдательного периода.
Это означает, что изучение блазара требует не одного изображения, а длительного мониторинга.
Проблема заключается и в том, что ни один существующий телескоп не способен непрерывно наблюдать такой объект во всем электромагнитном спектре.
Разные инструменты работают в разных диапазонах. Поэтому астрономы обычно проводят наблюдательные кампании: определенный телескоп наблюдает источник несколько дней, затем данные сравниваются с наблюдениями другого инструмента. Следующая кампания может состояться спустя месяцы или годы.
Получается своеобразная последовательность отдельных кадров.
Для быстроменяющегося объекта это создает серьезную проблему: между двумя наблюдениями может произойти событие, которое не удалось непосредственно зарегистрировать. Кроме того, невозможно гарантировать, что в разные годы источник находился в одинаковом физическом состоянии.
Именно поэтому двадцатилетний ряд наблюдений оказался настолько важным. Он позволил посмотреть не на отдельные вспышки, а на поведение объекта в течение значительной части человеческой истории наблюдений.
PKS 2155-304 наблюдали почти двадцать лет
Исследователи Алиция Вержхольска и Михаэль Захариас проанализировали данные, собранные с 2005 по 2024 год.
Основой стали наблюдения космической обсерватории Swift и гамма-телескопа Fermi.
Swift предоставил данные в оптическом, ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах, а Fermi-LAT — наблюдения гамма-излучения.
Таким образом, ученые получили возможность изучить один и тот же объект сразу в нескольких диапазонах и проследить, как менялась его активность на протяжении двух десятилетий. Исследование было опубликовано в 2026 году в Journal of High Energy Astrophysics.
PKS 2155-304 является одним из наиболее ярких и хорошо изученных блазаров южного неба. Он относится к высокочастотным BL Lac-объектам — подтипу блазаров, для которых характерно сильное нетепловое излучение и значительная переменность.
Двадцать лет наблюдений позволили исследователям проверить, сохраняются ли закономерности, обнаруженные при изучении отдельных вспышек.
Именно здесь появилась неожиданность.
Проблема с единой зоной излучения
Одна из распространенных моделей предполагает относительно простую картину.
В определенной области джета частицы ускоряются до высоких энергий. Основную роль в формировании наблюдаемого излучения играют электроны. Они излучают энергию в различных диапазонах, а поэтому изменения состояния одной и той же популяции частиц должны отражаться сразу в нескольких частях спектра.
Это не обязательно означает абсолютно синхронное изменение всех диапазонов. Между отдельными сигналами может существовать временная задержка.
Но определенная связь между ними должна сохраняться.
Если источник становится ярче из-за увеличения количества или энергии электронов, соответствующие изменения должны проявляться одновременно или с некоторой задержкой в других диапазонах, связанных с той же популяцией частиц.
Именно такую картину ученые ожидали увидеть при достаточно длительном наблюдении.
Однако PKS 2155-304 оказался сложнее.
За два десятилетия не обнаружилось устойчивой долгосрочной корреляции между оптическим и рентгеновским излучением. В отдельные периоды связи между диапазонами существуют, но они не сохраняются неизменными на протяжении всего наблюдаемого времени.
Это означает, что один и тот же механизм не может без дополнительных предположений объяснить все изменения яркости объекта.
Что такое корреляция излучения
Для понимания результата важно разобраться, что именно искали исследователи.
Представим источник, который состоит из одной физической системы. Если количество ускоренных электронов увеличивается, источник становится ярче. Если эти электроны отвечают и за оптическое, и за рентгеновское излучение, изменения яркости должны быть связаны.
Например, после увеличения активности в одном диапазоне через определенное время можно было бы ожидать соответствующее изменение в другом.
Такое поведение называют корреляцией.
Но если два диапазона изменяются независимо, это может означать, что за их излучение отвечают разные области джета, разные популяции частиц или разные физические процессы.
Именно отсутствие устойчивой долгосрочной корреляции в PKS 2155-304 стало одним из ключевых результатов исследования.
Это не доказывает автоматически наличие нескольких зон излучения. Однако показывает, что простая модель одной зоны и одной популяции электронов недостаточна для описания всего двадцатилетнего поведения объекта.
Каждая вспышка может иметь свою причину
Еще один важный результат связан с рентгеновскими вспышками.
При отдельных вспышках PKS 2155-304 наблюдается известная для таких источников закономерность: когда источник становится ярче в рентгеновском диапазоне, более энергичные рентгеновские фотоны усиливаются сильнее, чем менее энергичные.
Такое поведение называют эффектом «жестче при ярче».
Он хорошо известен в исследованиях блазаров и связан с изменением распределения энергии частиц, ответственных за рентгеновское излучение.
Но при сравнении различных эпох оказалось, что характер этой зависимости меняется.
То есть отдельные вспышки похожи друг на друга лишь частично.
На коротком временном отрезке определенная модель может хорошо описывать поведение источника. Однако при увеличении периода наблюдений выясняется, что следующая вспышка уже не обязательно подчиняется той же зависимости.
Это важное различие.
Если бы один и тот же механизм постоянно управлял всеми вспышками, его характерные признаки должны были бы сохраняться. В PKS 2155-304 наблюдается другая картина: параметры поведения меняются от одной эпохи к другой.
Почему двадцать лет оказались важнее отдельных вспышек
Космические источники высокой энергии часто изучаются именно по ярким событиям.
Когда блазар резко увеличивает яркость, телескопы направляют на него дополнительные наблюдения. Такие события дают огромное количество информации о механизмах ускорения частиц.
Но у этого подхода есть ограничение.
Самая яркая вспышка может быть необычной.
Если исследовать только несколько крупных событий, можно принять временную закономерность за фундаментальное свойство объекта.
Долгосрочный мониторинг позволяет увидеть, сохраняется ли эта закономерность.
В случае PKS 2155-304 выяснилось, что многие особенности, заметные во время отдельных вспышек, не описывают поведение источника на протяжении двух десятилетий.
Иными словами, длительное наблюдение не сделало объект проще. Наоборот, оно показало, насколько неоднородно ведет себя его излучение.
В данных 2012 года обнаружили еще одну загадку
Наиболее необычный результат связан с наблюдениями 2012 года.
В двух отдельных наблюдательных периодах исследователи обнаружили дополнительный спектральный компонент в рентгеновской области.
Особенно интересно, что источник в это время не находился в состоянии сильной вспышки.
Это важно потому, что необычный спектральный компонент нельзя было просто объяснить очередным мощным выбросом активности.
По данным исследования, дополнительная особенность спектра появилась между двумя наблюдениями 2012 года. Ее статистическая значимость достаточно велика, чтобы рассматривать ее как реальный элемент данных, а не просто случайное колебание.
Теперь перед учеными возникает вопрос: какая частица отвечает за это дополнительное излучение?
И здесь появляется возможность, которая заметно расширяет физическую картину блазара.
Возможно, в джете работают не только электроны
В стандартных моделях излучения блазаров основная роль часто отводится электронам.
Это разумное предположение: электроны легче ускорить до очень высоких энергий, а многие наблюдаемые свойства излучения хорошо объясняются процессами с их участием.
Но существуют и модели, в которых существенную роль играют адроны — частицы, состоящие из кварков. К наиболее известным адронам относятся протоны и нейтроны.
Если в джете ускоряются не только электроны, но и протоны, могут происходить дополнительные процессы.
Именно такой сценарий исследователи считают одним из наиболее вероятных объяснений необычной рентгеновской особенности, обнаруженной в 2012 году. Альтернативой может быть наличие дополнительной области излучения, физически отделенной от основной зоны джета.
Таким образом, наблюдения допускают как минимум два важных варианта: либо в системе появляется отдельная зона, либо в формировании излучения начинают участвовать другие типы частиц.
Почему протоны особенно интересны
Протоны намного тяжелее электронов.
Это имеет большое значение для высокоэнергетической астрофизики. Ускорение протонов до огромных энергий может приводить к процессам, которые не возникают или не играют такой роли в чисто электронных моделях.
Особенно важным следствием адронных процессов является возможность образования нейтрино.
Нейтрино практически не взаимодействуют с веществом. Они могут проходить через огромные расстояния и даже сквозь плотные области космических объектов, не поглощаясь так, как обычное электромагнитное излучение.
Поэтому нейтрино дают астрономам уникальную возможность получать информацию о процессах, происходящих в экстремальных условиях.
Если удается надежно связать нейтрино с конкретным космическим источником, это становится важным аргументом в пользу участия адронов в процессах ускорения частиц.
Нейтрино и блазары
Одним из наиболее известных примеров такого рода является блазар TXS 0506+056.
В 2017 году детектор IceCube на Южном полюсе зарегистрировал высокоэнергичный нейтрино, направление которого оказалось связано с этим блазаром. В то же время Fermi обнаружил высокую активность источника в гамма-диапазоне.
Это событие стало первым убедительным свидетельством связи высокоэнергичного космического нейтрино с конкретным астрофизическим источником.
Но важно не смешивать два объекта.
TXS 0506+056 — это не тот блазар, который исследовали в двадцатилетнем исследовании. Основным объектом нового анализа был PKS 2155-304.
Связь между ними физическая, а не наблюдательная: оба являются блазарами, а возможное участие адронных процессов в PKS 2155-304 интересно в том числе потому, что такие процессы являются одним из возможных механизмов рождения высокоэнергичных нейтрино.
Что именно не сходится в прежней картине
Проблему можно свести к нескольким наблюдательным фактам.
Во-первых, оптическое и рентгеновское излучение не демонстрируют устойчивой долгосрочной связи.
Во-вторых, характер рентгеновского спектра меняется от одной эпохи к другой.
В-третьих, дополнительная спектральная особенность появилась в 2012 году в состоянии, которое нельзя назвать обычной яркой вспышкой.
В-четвертых, наблюдаемое поведение не укладывается в простую картину, где один участок джета и одна популяция электронов отвечают практически за все излучение.
Поэтому новая работа указывает на более сложную структуру процессов.
Это может означать, что джет состоит из нескольких зон, в которых частицы ускоряются и излучают независимо. Другой вариант — изменение условий в одном и том же джете приводит к переключению между разными механизмами излучения.
Наконец, возможен вклад адронных процессов.
Пока данные не позволяют выбрать единственное объяснение с полной уверенностью.
Джет может быть не однородным потоком
Долгое время упрощенные модели позволяли рассматривать джет как относительно однородную область, в которой частицы ускоряются и затем излучают.
Но реальный джет сверхмассивной черной дыры, вероятно, значительно сложнее.
В нем могут существовать ударные волны, неоднородности, области с разной плотностью частиц и магнитного поля. Разные участки могут двигаться с различными скоростями или иметь разные энергетические распределения частиц.
Исследования с помощью рентгеновской поляриметрии уже указывали на то, что ударные волны могут играть важную роль в ускорении частиц в подобных джетах.
Поэтому отсутствие единой закономерности в двадцатилетних данных не выглядит просто технической проблемой. Оно может отражать реальную сложность физики джета.
Почему разные диапазоны света так важны
Наблюдение одного диапазона электромагнитного спектра дает только часть информации.
Оптическое излучение позволяет изучать относительно низкоэнергетическую часть спектра источника.
Ультрафиолет дает информацию о более энергичных процессах.
Рентгеновское излучение связано с еще более высокоэнергичными частицами и процессами.
Гамма-излучение позволяет заглянуть в наиболее экстремальную область энергетического спектра.
Если все эти диапазоны меняются согласованно, это поддерживает простую модель общего источника.
Если они ведут себя по-разному, значит, система может содержать несколько физических компонентов.
Именно поэтому многоволновые наблюдения так важны для блазаров.
Анализ только оптической яркости PKS 2155-304 не позволил бы увидеть всей сложности происходящего.
Почему объект кажется одной точкой
На расстоянии около 1,5 миллиарда световых лет даже огромная галактика остается для телескопа очень маленьким объектом.
Но в случае блазара ситуация еще сложнее.
Сверхмассивная черная дыра, аккреционный диск и джет находятся внутри одной галактической системы. Однако джет направлен почти на наблюдателя и может значительно превосходить по яркости остальную галактику.
В результате источник на изображении практически превращается в точку.
Это создает своеобразный парадокс: объект выглядит простым, но физически может быть чрезвычайно сложным.
Астрономы не могут просто рассмотреть отдельные части джета в оптический телескоп. Поэтому внутреннюю структуру приходится восстанавливать по изменениям излучения, спектру, поляризации и другим косвенным признакам.
Двадцатилетний мониторинг как раз и является способом заглянуть внутрь такой системы без непосредственного разрешения ее отдельных компонентов.
Почему долгосрочные данные меняют представление о блазарах
Кратковременное наблюдение показывает состояние источника в конкретный момент.
Длительный ряд позволяет изучить его поведение.
Это различие особенно важно для объектов, которые постоянно меняются.
Представить это можно как наблюдение погоды. Один снимок неба позволяет сказать, что в конкретный день было облачно. Но многолетние наблюдения показывают сезонные изменения, редкие явления и долгосрочные тенденции.
С блазаром ситуация еще сложнее: его изменения происходят значительно быстрее, а разные части спектра могут реагировать по-разному.
Поэтому двадцать лет данных позволяют увидеть не просто отдельные вспышки, а статистические свойства источника и их изменения во времени.
Именно это и произошло с PKS 2155-304.
Что удалось узнать о переменности объекта
Анализ показал, что распределения потоков в разных диапазонах в целом совместимы с логнормальным характером переменности, хотя для оптического диапазона исследователи выявили особенности, связанные с изменением базового уровня яркости примерно в 2009 году.
Также было установлено, что устойчивых временных задержек между изменениями разных диапазонов не наблюдается.
Это означает, что нельзя указать одну постоянную задержку, после которой изменение в одном диапазоне обязательно проявляется в другом.
Еще один результат касается зависимости между энергией излучения и изменением яркости. Рентгеновский диапазон демонстрирует устойчивую тенденцию к более «жесткому» спектру при увеличении яркости, однако конкретный характер этой зависимости меняется от одной эпохи к другой.
Наконец, относительная переменность возрастает с энергией в пределах одного компонента излучения.
Все эти особенности вместе показывают, что PKS 2155-304 нельзя описать единственной простой схемой.
Дополнительная зона или новые частицы
Одним из наиболее интересных выводов становится необходимость рассматривать альтернативы стандартной электронной модели.
Если дополнительный компонент действительно существует, он может возникать в другой области джета.
В этом случае разные части источника могут отвечать за разные диапазоны электромагнитного излучения. Тогда отсутствие долгосрочной корреляции перестает быть неожиданностью: две области могут изменяться независимо.
Но есть и другой вариант.
Дополнительное излучение может быть связано с адронными процессами, в которых участвуют протоны.
Для ученых это особенно интересно, поскольку подобный сценарий способен связать наблюдаемое электромагнитное излучение с нейтринными сигналами.
Пока нельзя утверждать, что именно адроны являются причиной обнаруженной особенности. Исследователи рассматривают этот вариант как наиболее вероятное объяснение дополнительного компонента, но сохраняется и альтернативная гипотеза с отдельной областью излучения.
Что это говорит об ускорении частиц
Блазары являются природными лабораториями экстремальной физики.
В их джетах частицы получают огромные энергии. Однако механизм, который способен ускорять их до таких значений, остается предметом активных исследований.
Ударные волны считаются одним из возможных механизмов. Когда в потоке возникает область резкого изменения параметров, частицы могут многократно взаимодействовать с ней и постепенно набирать энергию.
Но если наблюдения показывают несколько независимых компонентов излучения, одной такой схемы может быть недостаточно.
Возможно, разные участки джета работают как разные ускорители.
Возможно также, что один и тот же джет периодически переходит между различными режимами.
Двадцатилетние данные PKS 2155-304 не дают окончательного ответа, но показывают, что физика ускорения частиц должна учитывать изменчивость источника и неоднородность его излучения.
Почему открытие не означает крах существующих моделей
Формулировка о том, что галактика «стала менее понятной», не означает, что предыдущие знания оказались неверными.
Существующие модели успешно объясняют многие наблюдения блазаров.
Проблема заключается в том, что модель, хорошо работающая для отдельных вспышек или определенного диапазона энергий, не обязательно способна описать весь двадцатилетний ряд.
Это обычная ситуация в науке.
Когда новые данные не укладываются в существующую модель, ученые не отбрасывают сразу все накопленные знания. Они выясняют, какие элементы модели остаются работоспособными, а какие необходимо дополнить.
В случае PKS 2155-304 базовая идея о релятивистском джете остается актуальной. Вопрос заключается в том, сколько зон излучения существует внутри него, какие частицы ускоряются и какие механизмы ответственны за разные компоненты спектра.
Наблюдение на протяжении десятилетий становится отдельным научным инструментом
История PKS 2155-304 показывает важность архивных данных.
Телескоп может провести наблюдение, которое в момент получения кажется одним из многих рядовых измерений. Через десять или двадцать лет появляются новые методы анализа, новые физические модели или данные других инструментов — и старое наблюдение получает новое значение.
Именно поэтому многолетние архивы космических обсерваторий имеют огромную научную ценность.
В данном случае данные Swift и Fermi, собранные в течение почти двух десятилетий, позволили рассмотреть объект с временной перспективой, недоступной при краткосрочной наблюдательной кампании.
Это особенно важно для блазаров, поскольку их состояние постоянно меняется.
Что предстоит выяснить
Теперь главная задача заключается в том, чтобы определить физическую природу дополнительных компонентов излучения.
Для этого потребуются новые многоволновые наблюдения PKS 2155-304.
Если необычный спектральный компонент будет наблюдаться снова, ученые смогут сравнить его свойства с другими состояниями источника.
Особенно важным станет поиск возможной связи между такими событиями и нейтринными сигналами.
Если удастся обнаружить устойчивую связь, это станет серьезным аргументом в пользу адронных процессов.
Если же дополнительный компонент будет появляться независимо от поведения остального источника, более привлекательной может оказаться модель с несколькими пространственно разделенными зонами излучения.
Также необходимо продолжать рентгеновские, оптические и гамма-наблюдения одновременно. Только совместный анализ разных диапазонов позволяет выяснить, какие процессы происходят одновременно, а какие не связаны друг с другом.
Двадцать лет наблюдений не дали простой ответ — и именно поэтому они важны
PKS 2155-304 остается блазаром, то есть активной галактикой со сверхмассивной черной дырой и релятивистским джетом, направленным почти в сторону Земли.
Но после анализа наблюдений за 2005–2024 годы стало ясно, что его излучение нельзя полностью описать простой моделью единственной зоны, где одна популяция электронов отвечает за все наблюдаемые диапазоны.
Оптическое и рентгеновское излучение не имеют устойчивой долгосрочной связи. Характер рентгеновских вспышек меняется от эпохи к эпохе. В 2012 году обнаружилась дополнительная спектральная особенность в состоянии без сильной вспышки. Одним из возможных объяснений считается участие адронов, хотя альтернативой остается существование дополнительной области излучения.
Особенно важным результатом становится сама демонстрация того, что длительный мониторинг способен изменить представление о физике объекта. Отдельная вспышка может выглядеть как проявление хорошо известного механизма. Но когда ученые возвращаются к тому же источнику спустя годы и объединяют данные разных телескопов, выясняется, что космическая система может работать сразу в нескольких режимах.
Блазары поэтому остаются одними из наиболее сложных природных лабораторий для изучения ускорения частиц. Их яркость позволяет наблюдать процессы на расстояниях в миллиарды световых лет, но одновременно скрывает внутреннюю структуру источника за ослепительным излучением джета.
PKS 2155-304 показал, что даже два десятилетия наблюдений могут не закрыть вопрос о том, как именно формируется его излучение. Напротив, длительный ряд данных выявил новые особенности и указал на необходимость более сложных моделей, в которых могут участвовать несколько областей джета и разные типы частиц.
Именно в этом заключается ценность результата: астрономы получили не окончательное объяснение работы блазара, а гораздо более точное понимание того, чего существующие модели пока не объясняют.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
