Блазары относятся к числу самых ярких и изменчивых объектов во Вселенной. Они находятся в центрах далёких активных галактик, где сверхмассивные чёрные дыры поглощают окружающее вещество и связаны с мощными потоками частиц и излучения. Когда один из таких потоков оказывается направлен почти прямо в сторону Земли, астрономы наблюдают особенно яркий объект — блазар.
Несмотря на десятилетия исследований, физика блазаров остаётся далеко не полностью понятой. Новое исследование, основанное почти на двадцати годах наблюдений одного из хорошо известных блазаров, показало, что привычные модели способны объяснить лишь часть наблюдаемого поведения. На больших временных интервалах различные компоненты излучения ведут себя так, как существующие упрощённые представления не предсказывают.
Объектом исследования стал блазар PKS 2155-304, расположенный примерно в полутора миллиардах световых лет от Земли в направлении созвездия Южной Рыбы. Для анализа объединили данные двух космических обсерваторий — Swift и Fermi, которые наблюдают разные диапазоны электромагнитного излучения.
Результат оказался показательным: чем дольше учёные следят за блазаром, тем больше особенностей обнаруживают в его поведении.
Что такое блазар
Блазар — это разновидность активного ядра галактики.
В центре практически каждой крупной галактики находится сверхмассивная чёрная дыра. В спокойном состоянии она может практически не проявлять себя, однако при интенсивном поступлении газа и другого вещества вокруг неё формируется чрезвычайно горячая область.
Падающее вещество разгоняется, нагревается и начинает интенсивно излучать. В некоторых случаях вблизи полюсов центральной чёрной дыры возникают узкие струи ионизированного вещества — джеты.
Такие потоки могут простираться на огромные расстояния, достигая десятков миллионов световых лет.
Если направление одного из джетов оказывается близким к направлению на Землю, наблюдаемый объект выглядит особенно ярким. Такой активный объект и называют блазаром.
Это важная деталь: сам блазар не является отдельным типом чёрной дыры. Речь идёт об активной галактике, которую мы видим под определённым углом благодаря направленному в нашу сторону джету.
Блазары излучают практически во всём электромагнитном диапазоне
Излучение блазаров охватывает очень широкий диапазон энергий.
Его наблюдают в радиодиапазоне, оптическом и ультрафиолетовом диапазонах, в рентгеновском диапазоне и в гамма-лучах.
Для астрономов это одновременно преимущество и проблема.
Преимущество заключается в том, что один объект можно исследовать сразу несколькими способами. Разные диапазоны излучения позволяют получать информацию о различных физических процессах в окрестностях чёрной дыры и внутри джета.
Проблема заключается в том, что излучение в разных диапазонах может изменяться неодинаково.
Блазар способен становиться ярче в одном диапазоне и при этом демонстрировать совершенно другую картину в другом.
Именно это делает длительные многоволновые наблюдения особенно важными.
Почему коротких наблюдений недостаточно
Блазары наблюдают уже несколько десятилетий, однако непрерывного мониторинга таких объектов практически нет.
Обычно наблюдатели проводят отдельные кампании продолжительностью от нескольких дней до нескольких недель. Затем объект может оставаться без подробных наблюдений месяцами или даже годами.
Кроме того, разные телескопы работают в разных диапазонах.
В результате отдельные наблюдения дают лишь фрагменты общей картины.
Для быстро меняющегося объекта это серьёзное ограничение. Если наблюдать блазар всего несколько дней, можно увидеть конкретную вспышку, но не обязательно понять, как она вписывается в его многолетнее поведение.
Именно поэтому исследователи решили рассмотреть значительно более длинный временной интервал.
Почти двадцать лет наблюдений
В новом исследовании использовали данные, собранные примерно за два десятилетия.
Основными источниками стали космические обсерватории NASA Swift и Fermi.
Swift способен наблюдать в оптическом, ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах. Fermi предназначен прежде всего для исследования гамма-излучения.
Таким образом, исследователи смогли сопоставить изменения яркости PKS 2155-304 в нескольких диапазонах электромагнитного спектра.
Это принципиально отличается от анализа отдельных коротких наблюдательных кампаний.
Вместо одного эпизода учёные получили возможность посмотреть, повторяются ли определённые закономерности на протяжении многих лет.
Именно здесь начали проявляться проблемы с существующими моделями.
Одна из главных загадок — отсутствие ожидаемой связи между диапазонами
Наиболее распространённые модели предполагают относительно простую картину.
В рамках такого представления излучение в разных диапазонах может возникать в одной и той же области джета и производиться связанной популяцией электронов.
Если это действительно так, изменения яркости в разных диапазонах должны быть связаны между собой.
Например, если один участок спектра резко усиливается, можно ожидать соответствующее изменение в другом диапазоне — возможно, с некоторой задержкой.
Однако многолетний анализ PKS 2155-304 такой устойчивой связи не обнаружил.
На протяжении почти двадцати лет изменения оптического и рентгеновского излучения не демонстрировали ожидаемой долгосрочной корреляции.
Это означает, что простая модель единого источника излучения не способна объяснить всю наблюдаемую картину.
На коротких промежутках ситуация выглядит иначе
Особенно интересным оказалось то, что на коротких временных отрезках некоторые закономерности всё-таки проявляются.
Во время отдельных наблюдательных кампаний изменения в разных диапазонах могут быть связаны между собой.
Но характер этой связи отличается от того, что можно было бы ожидать при постоянном и неизменном механизме излучения.
Кроме того, разные вспышки демонстрируют различные характеристики.
Это приводит к важному выводу: процессы, ответственные за отдельные вспышки PKS 2155-304, могут отличаться друг от друга.
То есть блазар, вероятно, не включается и не выключается по единому универсальному сценарию.
Рентгеновские вспышки тоже оказались необычными
Есть ещё одна закономерность, которую астрономы обычно ожидают увидеть при усилении рентгеновского излучения блазара.
Когда источник становится ярче в рентгеновском диапазоне, увеличение яркости обычно сильнее выражено в его высокоэнергичной части.
Иными словами, во время вспышки должно становиться относительно больше жёстких рентгеновских фотонов.
Для PKS 2155-304 такая закономерность наблюдается в некоторых коротких периодах, но при рассмотрении двадцатилетнего массива данных она не сохраняется.
Это означает, что поведение объекта зависит от временного масштаба, на котором его рассматривают.
На коротком интервале блазар может демонстрировать вполне понятную закономерность, которая исчезает при переходе к многолетнему анализу.
Почему это важно для понимания джетов
Джеты — один из наиболее загадочных компонентов активных галактик.
Они состоят из потоков чрезвычайно быстро движущихся заряженных частиц и способны переносить энергию на огромные расстояния от центральной области галактики.
Однако учёные пока не располагают полной картиной того, как именно частицы внутри джета получают энергию, как она распределяется и какие процессы определяют наблюдаемое излучение.
Если разные диапазоны меняются независимо друг от друга, это может означать, что в джете одновременно действуют несколько физических механизмов или что разные области джета вносят вклад в наблюдаемое излучение.
Наблюдения PKS 2155-304 не дают окончательного ответа на этот вопрос, но показывают ограниченность слишком простой модели.
Загадка двух пиков
Полный спектр блазара содержит ещё одну характерную особенность.
На графике распределения излучения обычно видны два выраженных максимума, разделённых своеобразным провалом.
Первый, низкоэнергичный пик связывают с синхротронным излучением электронов.
Синхротронное излучение возникает, когда быстрые заряженные частицы движутся в магнитном поле.
Вторая, высокоэнергичная часть спектра гораздо сложнее для интерпретации.
Одно из возможных объяснений связано с обратным комптоновским рассеянием. При таком процессе быстрые электроны передают энергию фотонам низкой энергии, превращая их в гораздо более энергичные фотоны.
Но это не единственное возможное объяснение.
Исследователи не исключают участия адронов — частиц, к которым относятся, например, протоны и нейтроны.
Почему адроны особенно интересны
Если высокоэнергичное излучение блазара действительно связано не только с электронами, это существенно меняет представление о происходящих внутри него процессах.
Электроны и адроны могут участвовать в различных цепочках взаимодействий и по-разному распределять энергию.
Особенно интересно это в контексте космических нейтрино.
Нейтрино чрезвычайно слабо взаимодействуют с обычным веществом, поэтому свободно проходят через огромные расстояния.
Из-за этого обнаружить их значительно сложнее, чем обычное электромагнитное излучение.
При этом учёные давно пытаются определить источники высокоэнергичных космических нейтрино.
Блазары могут быть источниками космических нейтрино
Есть как теоретические, так и наблюдательные основания предполагать, что блазары могут участвовать в производстве высокоэнергичных нейтрино.
Особенно важным событием стало обнаружение нейтрино, направление прихода которого совпало с известным блазаром TXS 0506+056 во время мощной вспышки этого объекта.
Это не означает, что происхождение всех космических нейтрино уже установлено.
Однако связь между активными галактиками и высокоэнергичными нейтрино является одним из важных направлений современной многоканальной астрономии.
Поэтому любые признаки процессов, способных включать адроны в блазарах, представляют особый интерес.
Необычный провал в спектре
Дополнительная загадка появилась при анализе двух наблюдений PKS 2155-304, проведённых в 2012 году.
Между двумя наблюдениями в спектре появился дополнительный статистически значимый провал.
Особенно важно, что он возник в период, когда блазар не переживал заметной вспышки.
То есть изменение спектра не было очевидным следствием очередного кратковременного выброса яркости.
Исследователи считают, что наличие дополнительной особенности указывает на работу ещё одного физического механизма.
Одно из возможных объяснений связывает его с адронными процессами.
Но это пока не установленный факт.
Это именно интерпретация, которую предстоит проверять дальнейшими наблюдениями.
Почему отсутствие вспышки делает находку интереснее
Вспышки блазаров сами по себе являются сложными явлениями, поэтому любые изменения во время мощного усиления излучения можно попытаться связать с активностью центральной области.
Но дополнительная особенность спектра PKS 2155-304 появилась в период относительного спокойствия.
Это означает, что физические процессы внутри объекта могут быть активными даже тогда, когда блазар не демонстрирует очевидного общего всплеска яркости.
Получается, что внешне спокойное состояние объекта не обязательно означает отсутствие значимых изменений внутри его джета.
Что показали двадцать лет данных
Главный результат исследования состоит не в обнаружении одного нового явления, которое сразу решает старую проблему.
Напротив, длительный анализ показал, насколько сложнее блазары, чем предполагалось при изучении коротких наблюдательных интервалов.
Современные модели могут достаточно хорошо описывать некоторые отдельные вспышки и короткие периоды активности.
Но при рассмотрении многолетней истории PKS 2155-304 возникают несоответствия.
В частности:
— долгосрочной корреляции между оптическими и рентгеновскими изменениями не обнаружено;
— ожидаемая связь между рентгеновской яркостью и жёсткостью спектра не сохраняется на всём двадцатилетнем интервале;
— разные вспышки могут иметь разные физические характеристики;
— в спектре обнаружена дополнительная особенность, появившаяся во время отсутствия крупной вспышки;
— простая модель единой зоны излучения и одной популяции электронов не объясняет всю наблюдаемую изменчивость.
Блазары нельзя изучать одним телескопом
Исследование хорошо показывает одну из фундаментальных особенностей современной астрофизики.
Для понимания экстремальных космических объектов недостаточно наблюдать их в одном диапазоне.
Радиотелескоп может показывать структуру джета.
Оптические и ультрафиолетовые наблюдения позволяют исследовать другие компоненты излучения.
Рентгеновские данные дают информацию о более энергичных процессах.
Гамма-лучи позволяют изучать ещё более высокоэнергичные явления.
Если рассматривать каждый диапазон отдельно, можно получить несколько разных и даже противоречащих друг другу картин.
Объединение данных позволяет увидеть, как эти компоненты связаны между собой.
Почему непрерывный мониторинг так важен
Идеальным вариантом для исследования блазара было бы постоянное наблюдение в максимально широком диапазоне энергий.
Но единой обсерватории, способной непрерывно выполнять такую задачу во всех нужных диапазонах, сейчас нет.
Поэтому астрономам приходится объединять архивные данные разных телескопов.
Это сложная работа, поскольку наблюдения проводились с разными инструментами и в разные периоды.
Однако именно такой анализ позволяет обнаружить закономерности, которые невозможно увидеть в отдельных наблюдательных кампаниях.
Долгосрочные архивы становятся научным инструментом
Архивные данные часто воспринимаются как уже использованный материал.
Но исследование PKS 2155-304 показывает, что их ценность может возрастать с течением времени.
Когда накоплено несколько месяцев наблюдений, можно изучать отдельные вспышки.
Когда есть несколько лет, становится возможным анализировать циклы активности.
А двадцатилетний архив позволяет исследовать, сохраняются ли вообще предполагаемые закономерности в течение длительного периода.
В случае этого блазара оказалось, что некоторые из них не сохраняются.
Именно поэтому многолетние архивы могут давать результаты, которых невозможно получить даже при очень подробном изучении одной короткой вспышки.
Что теперь необходимо выяснить
Наблюдения PKS 2155-304 не позволяют однозначно определить единственный механизм, который объясняет все особенности объекта.
Перед исследователями остаётся несколько вопросов.
Необходимо выяснить, действительно ли разные диапазоны излучения формируются в разных областях джета.
Также предстоит определить, какие процессы отвечают за различные типы вспышек и почему характер поведения объекта меняется со временем.
Отдельный вопрос связан с высокоэнергичным пиком спектра и возможным участием адронов.
Если адронные процессы действительно играют заметную роль, это может иметь значение и для понимания происхождения космических нейтрино.
Один объект — целая лаборатория экстремальной физики
PKS 2155-304 находится примерно в полутора миллиардах световых лет от Земли.
Несмотря на огромное расстояние, современные космические обсерватории способны регистрировать изменения его излучения и отслеживать их на протяжении десятилетий.
Это делает блазары своеобразными естественными лабораториями для изучения процессов, которые невозможно воспроизвести на Земле.
Вблизи сверхмассивной чёрной дыры действуют чрезвычайно сильные гравитационные и магнитные поля, частицы получают огромные энергии, а вещество движется в джетах на релятивистских скоростях.
Наблюдая излучение такого объекта, астрономы пытаются восстановить происходящее внутри него.
Чем длиннее наблюдения, тем сложнее картина
На первый взгляд можно было бы ожидать, что увеличение объёма данных должно постепенно устранять загадки.
С блазарами происходит обратное.
Короткое наблюдение может создавать впечатление, что объект подчиняется относительно простой закономерности.
Но при добавлении данных за годы и десятилетия обнаруживаются исключения.
Именно это произошло с PKS 2155-304.
Существующие модели способны объяснять отдельные наблюдаемые явления, однако общая картина оказалась гораздо сложнее.
Это не означает, что прежние модели бесполезны. Они остаются рабочими инструментами для описания определённых состояний блазара.
Но результаты показывают, что их нельзя автоматически применять ко всей истории активности объекта.
Почему эта работа важна для астрофизики
Изучение PKS 2155-304 имеет значение далеко за пределами одного конкретного блазара.
Если похожие закономерности обнаружатся у других активных галактик, это может потребовать пересмотра представлений о том, как формируется высокоэнергичное излучение джетов.
Возможно, в разных состояниях активных галактик доминируют разные механизмы.
Возможно также, что значительную роль играет пространственная структура джета и излучение одновременно формируется в нескольких областях.
Пока эти вопросы остаются открытыми.
Именно дальнейшие многолетние и многоволновые наблюдения должны показать, насколько характерно поведение PKS 2155-304 для блазаров в целом.
Блазары остаются одной из самых сложных задач современной астрономии
За десятилетия наблюдений учёные научились различать основные компоненты излучения блазаров, отслеживать их вспышки и строить модели процессов в джетах.
Но новый двадцатилетний анализ показывает, что даже хорошо изученный объект может скрывать физические процессы, которые становятся заметны только при достаточно длительном наблюдении.
PKS 2155-304 демонстрирует изменчивость сразу в нескольких диапазонах, причём характер этих изменений не всегда совпадает с предсказаниями наиболее распространённых моделей.
Дополнительная особенность его спектра также указывает на возможность процессов, выходящих за рамки простой картины излучения электронов.
Особенно интересно потенциальное участие адронных процессов, поскольку они могут быть связаны с образованием высокоэнергичных нейтрино — частиц, происхождение которых до сих пор не полностью установлено.
Главный вывод исследования заключается в том, что блазары нельзя надёжно понять по нескольким коротким наблюдениям. Их поведение необходимо изучать одновременно в разных диапазонах и на протяжении многих лет. Только такая долгосрочная картина позволяет отделить закономерности конкретных вспышек от процессов, которые действительно определяют жизнь активной галактики в масштабах десятилетий.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
