Международный коллектив ученых, объединивший опыт в области радиоастрономии и физики плазмы, представил результаты исследования квазара NRAO 530. Использовав объединенные возможности нескольких интерферометрических сетей, исследователи смогли «заглянуть» в самое сердце этого активного галактического ядра и обнаружить там рекордно сильное магнитное поле, а также сложные динамические процессы, управляющие истечением вещества в виде релятивистского джета. Работа опубликована в Astronomy and Astrophysics.
В отличие от «спокойных» галактик, таких как наш Млечный Путь, активные галактики излучают колоссальное количество энергии, охватывающее весь электромагнитный спектр, от радиоволн до гамма-лучей. Этот «избыток» энергии порождается не звездами, а процессами, происходящими в центре галактик, где располагаются сверхмассивные черные дыры.
Квазары — один из самых ярких и мощных типов активных галактик. Их название, образованное от «quasi-stellar radio source» (квази-звездный радиоисточник), отражает их суть: в оптическом диапазоне они похожи на обычные звезды, но при этом являются мощными источниками радиоизлучения. Энергия квазара высвобождается при аккреции вещества на сверхмассивную черную дыру. Вещество, закручиваясь вокруг черной дыры, образует аккреционный диск — структуру из горячей светящейся плазмы. Аккреция — второй по эффективности процесс получения энергии во Вселенной. С помощью нее можно перевести в излучение до 30 % массы падающего в черную дыру вещества.
Одна из самых удивительных особенностей квазаров — наличие ультрарелятивистских джетов. Это узкие, коллимированные потоки плазмы, выбрасываемые из окрестностей сверхмассивной черной дыры с околосветовой скоростью. Механизмы формирования джетов до сих пор до конца не понятны, но считается, что они тесно связаны с магнитным полем, генерируемым в аккреционном диске.
Релятивистские джеты оказывают огромное влияние на окружающее пространство. Они способны переносить вещество на миллионы световых лет, нагревать межгалактический газ и даже могут остановить звездообразование в целой галактике. А еще с помощью наблюдений джетов квазаров построена система отсчета, благодаря которой работают все системы глобального позиционирования. Изучение джетов является важной задачей современной астрофизики, поскольку позволяет понять фундаментальные законы физики в экстремальных условиях гравитации и магнетизма.
Рисунок 1. Внутренняя структура галактики с активным ядром, из которой исходит джет. Источник: журнал «Наука и Жизнь».
В центре внимания нового исследования оказался квазар NRAO 530, расположенный на красном смещении z = 0,902. Это означает, что свет от этого квазара шел до Земли около 7,5 миллиардов лет. NRAO 530 относится к подклассу блазаров, что указывает на то, что его релятивистский джет направлен почти точно в сторону Земли, а именно три градуса. Этот факт делает вместе с высокой энергетикой джета NRAO 530 особенно интересным объектом для изучения, поскольку позволяет детально исследовать структуру и динамику джета вблизи сверхмассивной черной дыры.
Предыдущие исследования NRAO 530 показали, что его джет обладает сложной морфологией, меняющей направление на разных масштабах. Вблизи от черной дыры (расстояния в несколько световых лет) джет направлен на север, а на больших масштабах (расстояния в тысячи световых лет) — перпендикулярно, с востока на запад. Кроме того, было обнаружено, что в радиоизлучении NRAO 530 присутствуют периодические колебания с периодами около 6 и 10 лет, что может быть связано с процессами, происходящими в аккреционном диске или в самом джете.
Целью исследования было детальное изучение магнитного поля и динамики джета квазара NRAO 530 вблизи сверхмассивной черной дыры. Для достижения этой цели ученые провели наблюдения NRAO 530 на частотах 15, 22, 43, 86 и 227 ГГц.
Авторы работы выполнили анализ структуры джета квазара, в том числе моделированием с помощью набора гауссовых компонентов и моделированием его спиральной формы. Особенно важным этапом была точная привязка изображений, полученных на разных частотах, друг к другу. Это позволило исследователям измерить сдвиг видимого начала джета в зависимости от частоты. Этот сдвиг ядра дает информацию о магнитном поле и плотности плазмы в джете. В лаборатории релятивистской астрофизики МФТИ впервые в мире предложен метод, основанный на измерении видимого сдвига начала струи с частотой, по которому можно искать «червоточины» (кротовые норы) в космосе.
Результаты исследования оказались весьма впечатляющими. Обнаружено рекордно сильное магнитное поле в центре активного ядра галактики. На расстоянии около 5 гравитационных радиусов от сверхмассивной черной дыры, что составляет всего около 100–1000 астрономических единиц (расстояний от Солнца до Земли), напряженность магнитного поля оценена в диапазоне от 3000 до 30000 Гаусс (0,3–3 Тесла). Это одни из самых высоких значений, когда-либо зарегистрированных для активных галактик.
Впервые было измерено фарадеевское вращение (угловая скорость поворота плоскости поляризации волны) на таких высоких частотах (43–227 ГГц) в джете NRAO 530, которое составило -163 000 рад/м^2. Такая высокая величина свидетельствует о высокой плотности частиц и сильном магнитном поле вблизи основания джета и указывает на то, что это фарадеевское вращение рождается в очень компактных областях активного ядра, в окрестности черной дыры.
Рисунок 2. Здесь изображено, где в изучаемом объекте происходит Фарадеевское вращение (поворот поляризации радиоволн из-за магнитного поля в плазме), и насколько сильное это вращение. Верхняя панель показывает карту этого вращения, а нижняя панель показывает, как ученые определили величину вращения в конкретных точках.Измерения проводились на относительно низких частотах радиодиапазона. RM — это величина, которая показывает, насколько сильно поворачивается плоскость поляризации. Верхняя панель показывает карту — изображение, на котором разными цветами показана величина RM в разных точках объекта. Диапазон частот — от 15 до 43 ГГц. На карту RM наложены контуры, показывающие общую яркость радиоизлучения на частоте 43 ГГц. Эти контуры нарисованы с увеличивающейся яркостью (степенями двойки). На рисунке нарисованы маленькие палочки. Они показывают, в каком направлении колеблется электрическое поле радиоволн (это и есть поляризация). Важно, что эти палочки скорректированы на эффект Фарадеевского вращения. То есть показано истинное направление поляризации, которое было до того, как свет прошел через намагниченную плазму. На карте стоят числа. Эти числа указывают на конкретные места, где были сделаны расчеты, чтобы определить, насколько сильно вращается плоскость поляризации на разных длинах волн. EVPA — это функция, описывающая, как меняется угол поляризации в зависимости от квадрата длины волны. Источник: журнал Astronomy and Astrophysics.
Рисунок 3. На рисунке контурами показано изображение квазара на частоте 43 ГГц с позициями компонентов джета, наложенными на модель прецессии (черная кривая) и модель нестабильности Кельвина—Гельмгольца (розовая кривая). Источник: журнал Astronomy and Astrophysics. Данные лучше описываются моделью прецессирующего джета. В чем причина прецессии, предстоит разобраться.
В результате исследования было установлено, что джет NRAO 530 прозрачен для радиоизлучения на частотах 86 и 227 ГГц вплоть до своего основания. Это указывает на то, что излучение джета на частоте 227 ГГц, зарегистрированное Телескопом горизонта событий, исходит непосредственно из аккреционного диска вокруг черной дыры.
Удалось подтвердить, что структура джета имеет спиральную форму, что, вероятно, связано с прецессией джетного сопла. Период прецессии оценен в 6 ± 4 года. Этот вывод будет проверен в будущих работах коллектива.
«Мы впервые получили столь детальную картину физических пркоцессов, происходящих вблизи сверхмассивной черной дыры в квазаре NRAO 530. Обнаружение рекордно сильного магнитного поля и измерение фарадеевского вращения на таких высоких частотах открывают новые возможности для проверки существующих теорий формирования джетов и аккреции вещества на черные дыры. Нам удалось исследовать плазму в джете с беспрецедентной детализацией и обнаружить прозрачность джета на высоких частотах, что открыло нам “окно” для изучения излучения, исходящего непосредственно из аккреционного диска. Комплексный анализ структуры и динамики джета на разных частотах и масштабах позволил нам получит более полное представление о процессах, управляющих формированием и эволюцией джета», — прокомментировала Евгения Кравченко, старший научный сотрудник лаборатории физики высоких энергий МФТИ.
Хотя новое исследование носит фундаментальный характер, его результаты могут иметь практическое применение в будущем для разработки методов диагностики плазмы в экстремальных условиях, использования квазаров как маяков в космологии и улучшения глобальной навигации GPS и ГЛОНАСС за счет точного измерения параметров вращения Земли и координат радиотелескопов.
В будущем исследователи рассчитывают провести более детальные наблюдения джета на еще более высоких частотах, чтобы ближе подобраться к черной дыре и изучить аккреционный диск. Предстоит большая работа по созданию трехмерных моделей магнитного поля и плазмы в джете и по разработке новых теоретических моделей, описывающих происходящее вблизи черной дыры. Исследование связи между процессами в аккреционном диске и динамикой джета позволит понять, как аккреция вещества на черную дыру влияет на формирование и эволюцию джета.
Проведенное исследование является примером успешного международного сотрудничества и использования передовых технологий для решения фундаментальных научных задач.
Научная статья: Mikhail Lisakov, Svetlana Jorstad, Maciek Wielgus, Evgeniya V. Kravchenko, Aleksei S. Nikonov, Ilje Cho, Sara Issaoun, Juan-Carlos Algaba, Thomas P. Krichbaum, Uwe Bach, Eduardo Ros, Helge Rottmann, Salvador Sánchez, Jan Wagner and Anton Zensus: Kilogauss magnetic field and jet dynamics in the quasar NRAO 530. A&A, 693, A9 (2025) https://doi.org/10.1051/0004-6361/202449636 .
