Порфирион-джет пронзил филамент и бьет в близлежащий войд

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.

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