Черная дыра заплетает плазменные «косички»

«Радиоастрон» запечатлел формирование мощного космического джета в центре далекой галактики

Используя космический телескоп проекта «Радиоастрон» и сеть радиотелескопов на Земле, астрономы получили самое подробное изображение струи плазмы, вырывающейся из сверхмассивной черной дыры в центре активной галактики. Струя, исходящая из самого центра далекой галактики — блазара под названием 3C279, — движется почти со скоростью света и демонстрирует извилистые «узоры» вблизи своего начала. Эти результаты ставят под сомнение стандартную теорию, которая использовалась ранее для объяснения формирования струй.

Активные галактики формируют релятивистские плазменные струи из небольшой части поглощаемого ими вещества, окружающего центральную черную дыру. Блазарами называются активные ядра, в которых такая струя оказывается направленной почти прямо на нас, что благодаря релятивистским эффектам экстремально усиливает излучение, испускаемое плазмой струи. Международной группе исследователей с участием российских ученых недавно удалось достичь беспрецедентно высокого углового разрешения при картографировании самых внутренних областей релятивистской струи в блазаре 3С279. Ученые обнаружили там необычайно аккуратно сплетенные спиральные волокна, объяснение присутствия которых может потребовать пересмотра теоретических моделей процесса образования струй в активных галактиках.

«Получение таких уникальных изображений стало возможным благодаря космической миссии „Радиоастрон“, которая соединила вместе десятиметровый российский космический радиотелескоп, находящийся на эллиптической орбите с апогеем, почти достигающим расстояния до Луны, и сети из 23 наземных радиотелескопов, практически опоясывающих всю нашу планету. С помощью такого уникального инструмента мы получили изображение внутренней части блазара 3С279 с самым высоким разрешением на сегодняшний день, что позволило нам впервые рассмотреть внутреннюю структуру струи так подробно», — говорит Антонио Фуэнтес, исследователь из Института астрофизики Андалузии (IAA-CSIC) в Гранаде (Испания), возглавляющий коллектив авторов статьи. С помощью специальной методики, называемой радиоинтерферометрией со сверхдлинной базой (РСДБ), виртуальный телескоп с эффективным диаметром, равным максимальному расстоянию между антеннами, создается путем объединения и корреляции данных разных радиообсерваторий друг с другом.

Новое окно во Вселенную, открытое миссией «Радиоастрон», позволило увидеть новые детали плазменной струи 3C279, блазара со сверхмассивной черной дырой в центре. Струя показывает как минимум две скрученные нити плазмы, простирающиеся более чем на 570 световых лет от центра.

«Теперь мы лучше понимаем, как центральная сверхмассивная черная дыра порождает выбросы ультрабыстрой и сверхгорячей плазмы», — добавляет Юрий Ковалев, руководитель научной программы «Радиоастрона» и член исследовательской группы.

Струи плазмы, вытекающие из блазаров, не являются однородными по своей структуре. В них часто наблюдаются изгибы и завихрения. Их присутствие указывает на то, что на плазму оказывает сильное влияние центральная черная дыра. Астрономы обнаружили, что спиральные нити в блазаре 3C279 вызваны нестабильностями, развивающимися в струйной плазме. Привычная теория, используемая для объяснения эволюции релятивистских струй, в этом случае не работает. Необходимы новые теоретические модели, которые смогут объяснить, каким образом подобные спиральные образования формируются в самом начале струи.

Эти модели, в частности, должны будут учитывать наличие спирального магнитного поля, на которое указывают полученные в работе результаты. Именно это магнитное поле, которое в 3C279 закручивается вокруг струи по часовой стрелке, является основным фактором, удерживающим плазму, движущуюся со скоростью всего на 0,3% меньше скорости света.

«Похожие спиральные нити наблюдались во внегалактических струях и раньше, но на много больших расстояниях от черной дыры, где магнитное поле гораздо слабее и не оказывает сильного влияния на плазму струи. Считается, что такие спиральные образования возникают на тех масштабах в результате взаимодействия друг с другом частей потока, движущихся с разными скоростями, — добавляет Андрей Лобанов, ученый из группы исследователей MPIfR (Радиоастрономический институт Общества Макса Планка в Бонне, Германия). — Теперь благодаря этому исследованию мы впервые сталкиваемся с ситуацией, в которой подобные волокна могут быть тесно связаны с физическими процессами в непосредственной близости от черной дыры, запускающей струю».

Исследование внутренней струи в блазаре 3C279, о котором говорится в последнем выпуске журнала Nature Astronomy, является продолжением многолетних усилий ученых, направленных на улучшение понимания роли магнитных полей в формировании релятивистских истечений из активных галактических ядер. Оно также подчеркивает всё еще остающиеся проблемы в теоретическом моделировании этих процессов и демонстрирует необходимость дальнейшего совершенствования радиоастрономических инструментов и методов, которые предоставляют уникальную возможность получения изображений далеких космических объектов с рекордным угловым разрешением.

Проект «Радиоастрон», действовавший с июля 2011 года по май 2019 года, состоял из десятиметрового орбитального радиотелескопа («Спектр-Р») и до 60 крупнейших наземных радиотелескопов. Когда сигналы отдельных телескопов объединяются на основе метода интерференции радиоволн, система телескопов (интерферометр) обеспечивает угловое разрешение, эквивалентное размеру зеркала в 350 тыс. км — почти что расстояние от Земли до Луны. Это сделало «Радиоастрон» инструментом с самым высоким угловым разрешением в истории астрономии. Проект «Радиоастрон» был реализован Астрокосмическим центром Физического института им. Лебедева РАН и НПО им. Лавочкина по контракту с госкорпорацией «Роскосмос» и в сотрудничестве с партнерскими организациями в России и других странах.

Оригинальная публикация:
«Filamentary structures as the origin of blazar jet radio variability»,
by Antonio Fuentes and collaborators // Nature Astronomy (26 октября 2023 года),
DOI: 10.1038/s41550-023-02105-7