Порфирион-джет пронзил филамент и бьет в близлежащий войд


Изображения джетов Порфириона, полученные радиоинтерферометром LOFAR. Левая карта — длина волны 2,08 м, правая — 0,46 м. Врезки справа вверху — карты центра с лучшим угловым разрешением, на которых виден сам квазар. Яркое пятно на джете снизу от центра — типичный для джетов узел, связанный с внутренним ударным фронтом. Яркое пятно на нижнем конце джета — фронт от столкновения последнего с внешней средой (из статьи [1])
Изображения джетов Порфириона, полученные радиоинтерферометром LOFAR. Левая карта — длина волны 2,08 м, правая — 0,46 м. Врезки справа вверху — карты центра с лучшим угловым разрешением, на которых виден сам квазар. Яркое пятно на джете снизу от центра — типичный для джетов узел, связанный с внутренним ударным фронтом. Яркое пятно на нижнем конце джета — фронт от столкновения последнего с внешней средой (из статьи [1])
В начале 2024 года международная команда астрономов обнаружила квазар с джетами рекордного размаха — 7 Мпк (23 млн световых лет) [1]. Объекту дано название «Порфирион» по имени самого могучего древнегреческого мифологического гиганта. Джеты обнаружены с помощью европейского массива длинноволновых радиотелескопов LOFAR. Фактически это интерферометр со сверхдлинной базой: он включает станции в Нидерландах, Германии, Польше, Франции, Ирландии, Латвии, Швеции, Великобритании, Италии и Болгарии. Проект родился в Нидерландах (там находится самое большое количество станций) и постепенно разросся на всю Европу.

Система работает на низких частотах — на самых низких, которые проходят через ионосферу, — от 10 МГц (длина волны около 30 м) и выше. На низких частотах хуже угловое разрешение, но выше чувствительность к слабому радиоизлучению, кроме того, это важное дополнение к более распространенным коротковолновым интерферометрам, работающим в дециметровом и сантиметровом диапазонах.

Обнаруженный квазар находится на красном смещении 0,9, что соответстветствует возрасту Вселенной 6,3 млрд лет (7,5 млрд лет назад). Наиболее четкие изображения получены на длинах волн 2,08 и 0,46 м (см. рис. вверху). Виден сам квазар, яркое протяженное пятно снизу справа (подобные яркие пятна наблюдаются у многих джетов) и яркие облака на концах джета, особенно заметные на более длинноволновой карте.

Пару слов о том, что такое джеты (струи) квазаров. Квазары — сверхмассивные черные дыры в центрах галактик в состоянии интенсивной аккреции окружающего вещества. Наиболее распространена дисковая аккреция, при этом диски светят ярче всей окружающей галактики, вплоть до 1047 эрг/с, что в тысячу раз ярче нашей галактики. Диски ориентируются в плоскости экватора вращающейся черной дыры, а вдоль полюсов бьют струи замагниченной плазмы — джеты. Это чисто магнитогидродинамический эффект (так называемый эффект Блэндфорда — Знаека): либо диском, либо самой черной дырой «наматывается» тороидальное магнитное поле, которое в конечном счете «выплевывается» вместе с плазмой в обе стороны вдоль оси вращения дыры. Этот эффект благополучно воспроизводится с помощью численного моделирования. Типичная скорость потока в джете близка к скорости света. Обычно вместо скорости в таких случаях используется лоренц-фактор, $1/\sqrt{1-v^2/c^2}$, показывающий, насколько сильны релятивисские эффекты — замедление времени, синее смещение и т. п. Типичный лоренц-фактор джетов квазаров на первых парсеках порядка 20.

Наблюдается целый зоопарк джетов: от относительно небольших, сравнимых по размерам с галактикой, до гигантских, бьющих далеко в межгалактическое пространство. Наиболее известный и зрелищный пример больших джетов — относительно близкий и очень яркий радиоисточник Лебедь А. В нем размах джетов не превышает 300 кпк, зато прекрасно видны горячие пятна от столкновения джета с окружающей средой и развевающиеся бороды (лопасти) от блуждающих излучающих частиц. Всё, что видно на этой карте, — синхротронное излучение релятивистских электронов. Лебедь А можно рассматривать как уменьшенную в 25 раз модель Порфириона, находящуюся в десятки раз ближе.

Радиокарта Лебедя А. Размах джетов — 300 кпк (NRAO/AUI)
Радиокарта Лебедя А. Размах джетов — 300 кпк (NRAO/AUI)

До сих пор были известны джеты с размахом около 4 пк, причем этот рекорд держался почти полвека, из чего делался вывод, что это и есть естественный предел. Обстоятельства, которые могут способствовать новому рекорду: очень большая мощность джета и разреженная внегалактическая среда. По оценкам авторов, сделанных с помощью численных моделей джетов и подгонок их под наблюдения, мощность джета действительно очень велика — около 1046 эрг/с. Квазар не находится в скоплении галактик — оно было бы видно в оптике. Значит, среда действительно не слишком плотная. Скорее всего, источник находится в филаменте (нити) крупномасштабной структуры и, судя по масштабу, пробивает филамент, в котором находится родительская галактика и бьет в близлежащий войд (пространство, почти лишенное галактик). Так что, скорей всего, существенны обе причины.

Важность нового открытия в том, что подобные джеты по своему размеру сравнимы с элементами крупномасштабной структуры, которые в те времена были почти вдвое меньше, чем сейчас. Вполне возможно, что подобные джеты «накачивают» войды, составляющие большую часть объема Вселенной, магнитным полем и частицами высоких энергий. По оценкам авторов статьи, на каждый войд приходится по джету, который инжектирует в него поле с частицами. В результате поле только от этих источников должно составлять 10–16–10–15 Гс.

Надо заметить, что это довольно слабое поле. Такой интервал значений не то, чтобы совсем исключен, но поставлен под сомнение данными «Ферми» по гамма-квантам. Поле, скорей всего посильней, но джеты — лишь один из возможных механизмов генерации магнитного поля войдов. Вряд ли типичное магнитное поле войдов слабей, чем 10–13 Гс, иначе оно давало бы эффект смещения гамма-изображений блазаров от их оптического изображения, чего не наблюдается. Причина такого смещения — каскадное эхо: гамма-кванты очень высоких энергий реагируют по пути с фотонами света галактик и порождают электрон-позитронные пары. Эти пары в свою очередь «пинают» фотоны реликтового излучения (комптоновское рассеяние), переводя их в гамма-кванты, которые с задержкой в десятки и сотни тысяч лет прилетают в детектор немного с другого направления, куда отклонен джет.

Авторы статьи попытались определить параметры «центральной машины», т. е. квазара, исходя из наблюдений джета. Вообще говоря, это задача тяжелая — она требует многих дополнительных предположений. У них получилось следующее: мощность, всаживаемая в джет, — около 1046 эрг/с, что всего на порядок меньше максимальной светимости аккреционных дисков. Энергия, накачанная в релятивистские электроны за миллиарды лет работы квазара, — порядка 1063 эрг, что составляет около миллиарда Мс2 Солнца.

Эти параметры кажутся экстремальными — возможно, эти оценки завышены, а возможно, здесь работает дополнительный механизм, предложенный Андреем Нероновым с соавторами [2]. Их предположение заключается в том, что длинный джет формируется не магнитогидродинамическим потоком, а пучком тэвных гамма-квантов, испущенных в самом начале джета. Тогда требования к параметрам источника становятся менее экстремальными. Они также объясняют пучком гамма-квантов прямолинейность джета на таком огромном расстоянии.

Правда, Порфирион выглядит именно как магнитогидродинамический джет: яркий узел в середине и горячие пятна на концах. Вполне возможно, работают оба механизма: поток гамма-квантов помогает джету «рыть туннель» в межгалактической среде, таким образом требования к энергетике джета снижаются.

Борис Штерн

1. Black hole jets on the scale of the cosmic web. Nature 633 (8030): 537-541.
DOI: 10.1038/s41586-024-07879-y,
arxiv.org/pdf/2411.08630

2. arxiv.org/pdf/2411.01640

Подписаться
Уведомление о
guest

0 Комментария(-ев)
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (1 оценок, среднее: 4,00 из 5)
Загрузка...