Чёрная дыра 3C273 раскрывает тайны образцового джета

После многолетнего сражения на астрофизическом поле боя, наконец-то, появились судьи, разрешившие давнее противостояние в изучении квазаров. В качестве борцов выступают две конкурирующие теории. Арбитры – два орбитальных телескопа.

Специалисты из Йельского университета (Yale University) и университета Саутгемптона (University of Southampton) провели исследование одного из квазаров в рентгеновском и инфракрасном диапазоне.

Из каких соображений учёные исходили – трудно сказать, но изучать они решили 3C273 – тот самый объект, который и был впервые открытым в 1963 году квазаром.

На этом снимке запечатлён 3C273. Сам квазар находится в левом верхнем углу. Справа внизу – джет из высокоэнергетичных частиц. Квазар представляет собой почти точечный источник излучения, а свечение вокруг него – это неизбежный оптический артефакт, связанный с наблюдением блёклых объектов (фото с сайта astro.soton.ac.uk). Напомним, квазар представляет собой объект, обладающий рядом специфических характеристик: высокой светимостью при малом угловом размере, большой скоростью движения. В настоящее время известно, что квазары располагаются в ядрах галактик.

Наиболее распространена версия, что квазары представляют собой чёрные дыры, на которые падает вещество, что вызывает интенсивное излучение, в первую очередь, в рентгеновском диапазоне. Это приводит к появлению так называемых джетов – огромных струй элементарных частиц, вырывающихся с полярных областей квазаров на расстояние во многие тысячи световых лет.

Астрономам многое, связанное с квазарами, представляется непонятным, хотя исследования ведутся уже несколько десятилетий.

Джеты квазаров обладают достаточно высокой светимостью, но они настолько далеки, что выглядят относительно блекло. "Приятное исключение" составляет 3C273: у него один из джетов наблюдается очень неплохо, скорее всего, по этой причине данный объект и был выбран для изучения.

Распределение излучения в джете. Вверху: диаграмма инфракрасного излучения. Внизу: диаграмма рентгеновского излучения. Максимальная интенсивность обозначена красным, минимальная — фиолетовым (иллюстрация с сайта astro.isas.jaxa.jp). Исследователи фиксировали излучение джета в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах. Характер спектров оказался типичным для сверхэнергетичных частиц, светящихся в результате синхротронного излучения. Оно возникает в результате движения частиц с околосветовыми скоростями в мощном магнитном поле. Но это объяснение годится не для всего джета.

Это помогли выяснить, во-первых, Spitzer, который сейчас является самым чувствительным в мире инфракрасным телескопом. А во-вторых, рентгеновская обсерватория Чандра (Chandra X-ray Observatory). Что позволило взглянуть на проблему так сказать с двух концов спектра.

Согласно теоретическим данным, рентгеновское излучение может создаваться вырывающимися частицами, движущимися со околосветовой скоростью на протяжении 100 световых лет. Однако визуально регистрируемая часть джета имеет протяжённость около 100 тысяч световых лет.

Интенсивное излучение в рентгеновском диапазоне на первой части пути частицы свидетельствует о больших ускорениях, испытываемых ею. А причиной настолько сильно ускоренного движения может быть чёрная дыра.

Объединённый снимок джета. Для удобства области рентгеновского излучения обозначены голубым, оптического – зелёным, инфракрасного – красным. Области, где сильно и инфракрасное, и оптическое излучения – жёлтые. Как видно, интенсивность рентгеновского излучения высока в начале джета (квазар находится где-то слева), но она быстро убывает (фото с сайта astro.soton.ac.uk).

Об этом и говорят данные спектральных исследований: в области, близкой к квазару, джет испускает мощный рентгеновский поток. При движении к другому концу джета заметно постепенное повышение инфракрасной составляющей, зато рентгеновская резко уменьшается. Это говорит о значительном снижении скорости частиц.

Профессор Йельского университета Меган Урри (Megan Urry), одна из исследовательниц джета 3C273: "Полученные данные убеждают в том, что излучение частиц в джете имеет синхротронное происхождение" (фото с сайта eurekalert.org). До настоящего времени существовали две "конкурирующие" теории, пытавшиеся объяснить излучение джетов: теория так называемого инверсно-комптоновского излучения (она утверждает, что излучение возникает в результате рассеивания фотонов реликтового излучения на частицах джета) и теория синхротронного излучения (постулирует, что излучение обусловлено высокоэнергетичными протонами и электронами).

Как видно, "победила" вторая: главную роль в излучении здесь действительно играют ускоренные частицы. Кроме того, "автоматически" подтвердилось мнение о том, что квазар является, по сути, чёрной дырой.

Астроном Себастьян Джестер (Sebastian Jester), участвовавший в исследовании, говорит: "Новые результаты свидетельствуют о том, что структура потока джета намного сложнее, чем мы до этого представляли". При этом он добавляет, что синхротронная модель, оказавшаяся правильной, только усугубляет "загадку" возникновения высокоэнергетичных частиц джета.

Но, несмотря на это, исследователи не унывают. "Наши результаты приводят к радикальному пересмотру теории релятивистских джетов, — говорит другой участник работы Ясуноби Учияма (Yasunobu Uchiyama). – Но зато у нас появились принципиально новые подходы к решению главных проблем астрофизики".