О чем говорят периодические вспышки квазара

Повторяющийся набор вспышек в гамма-излучении квазара позволил понять природу загадочного феномена вращения плоскости поляризации у этих объектов и установить устройство их релятивистских струй.

Повторяющаяся картина вспышек в гамма-излучении блазара 3С 279

Фото: Предоставлено СПбГУ

Современная астрофизика изучает космические объекты во всех доступных диапазонах электромагнитных волн от радио до гамма-излучения. Это особенно актуально для таких объектов, как квазары — центральных областей галактик, в которых окружающее вещество (пыль и газ) падают на сверхмассивную черную дыру с массой от миллионов до десятков миллиардов масс Солнца. Из-за наличия углового момента это вещество не может просто свалиться под горизонт событий, а образует так называемый аккреционный диск. При этом некоторые из таких объектов выбрасывают релятивистские струи плазмы (джеты). Вся эта структура с черной дырой, аккреционным диском и джетом называется активным ядром Галактики. Такие объекты являются наиболее мощными устойчивыми источниками излучения во Вселенной. Их светимость достигает колоссальных величин и может превышать солнечную светимость на 13–14 порядков.

Квазары с релятивистскими струями, направленными в нашу сторону, составляют подавляющее большинство среди объектов на небе в гамма-диапазоне (см. иллюстрацию, где такие объекты обведены кружками). Однако астрофизики довольно далеки от полного понимания того, как это высокоэнергетическое гамма-излучение возникает в активных ядрах галактик.

На этом графике указаны избранные пульсары, обнаруженные с помощью космического гамма-телескопа Ферми НАСА. Пульсар — это быстро вращающаяся нейтронная звезда, которая периодически излучает электромагнитную энергию. Нейтронная звезда — это самая близкая к черной дыре вещь, которую астрономы могут наблюдать напрямую, сжимая массу в полмиллиона раз больше, чем Земля

Фото: NASA / DOE / Fermi LAT Collaboration

Исследователи из Санкт-Петербургского государственного университета проанализировали открытые данные космической гамма-обсерватории NASA «Ферми», которая наблюдала один из наиболее активных и мощных квазаров 3C 279. Они получили кривую излучения в гамма-диапазоне для интервала протяженностью в восемь лет. Кроме того, они собрали данные наблюдений этого объекта 12 оптическими телескопами, разбросанными по всему миру, включая телескопы обсерватории СПбГУ и Крымской астрофизической обсерватории.

Обычно активные ядра галактик меняют блеск случайным образом во всех диапазонах, включая гамма. В случае 3C 279 было обнаружено, что кривая гамма-излучения повторяет один и тот же набор вспышек с одинаковой относительной амплитудой и протяженностью. Происходит такое повторение не когда-либо, а вблизи интервалов времени, где вращается плоскость поляризации оптического излучения этого квазара.

Плоскость поляризации волны — это плоскость, в которой вектор (например, вектор напряженности электрического поля в случае электромагнитных волн) колеблется, изменяется. Свет, который мы видим в природе, как правило, состоит из множества таких волн, колеблющихся в разных плоскостях. В этом случае ориентация плоскости поляризации в пучке света случайна. Однако некоторые физические процессы создают частично поляризованный свет, когда электромагнитные волны в пучке света чаще колеблются вдоль одного из направлений. Именно такой свет квазара 3C 279 изучала команда лаборатории наблюдательной астрофизики СПбГУ с помощью доступных им телескопов, оборудованных специальными поляриметрами.

Так как было обнаружено три пары событий из повторяющегося набора гамма-вспышек и вращений оптической поляризации, исследователи заключили, что случайное совпадение этих явлений является крайне маловероятным. Это значит, что эти явления обязаны своим происхождением одному физическому механизму в джете квазара. Наилучшим кандидатом на роль такого механизма является модель, предложенная в более ранней статье, где также участвовали исследователи СПбГУ. В этой модели джет состоит из быстрой сердцевины, пронизанной спиралеобразным магнитным полем и окруженной медленной оболочкой из отдельных колец более холодной плазмы. Время от времени в сердцевине пролетает возмущение плотности. Оно проходит через области с различным направлением магнитного поля, за счет чего происходит вращение плоскости поляризации ее синхротронного оптического излучения. Из-за релятивистской скорости движения плазма этого возмущения плотности рассеивает низкоэнергетические (инфракрасные и оптические) фотоны из колец оболочки до энергии гамма-диапазона посредством так называемого обратного комптоновского рассеяния. Так как кольца внешней оболочки джета стабильны на временах в несколько лет, следующее возмущение плотности пролетает внутри той же системы плазменных колец, а значит, производит очень похожий набор вспышек гамма-излучения.

Несмотря на то что такое поведение излучения квазаров было ранее теоретически предсказано, оно никогда ранее не наблюдалось. Таким образом, наблюдения 3C 279 впервые уверенно продемонстрировали, что данная теоретическая модель корректно описывает устройство релятивистских струй квазаров. Кроме того, впервые вращения оптической поляризации у блазара были достоверно связаны с высокоэнергетическим излучением, что позволило выяснить природу этого загадочного феномена, которая дискутировалась среди астрофизиков более десятка лет.