Непрерывное видео струи чёрной дыры поставило под сомнение теорию ударных волн
Астрономы создали непрерывное 27-летнее видео релятивистской струи блазара 3C 345 и обнаружили, что яркие движущиеся структуры в ней, вероятно, не являются ударными волнами, как предполагалось ранее. Новый метод позволил измерить движение плазмы по всей струе, а не только отслеживать отдельные яркие сгустки.
Для исследования команда разработала алгоритм kine, который использует нейронное представление данных и объединяет радиоастрономические наблюдения, выполненные в разные моменты времени. Метод предназначен для обработки данных радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами VLBI, где обычно каждое наблюдение реконструируется как отдельный статический снимок.
Исследователи применили kine к 116 радионаблюдениям блазара 3C 345 из программы MOJAVE. Данные охватывали 27 лет наблюдений. Вместо последовательности независимых изображений алгоритм построил непрерывную во времени модель радиоизлучения, включая информацию о поляризации.
Полученная реконструкция имела примерно в четыре раза более высокое разрешение по сравнению с обычным пределом таких наблюдений и приблизительно в 140 раз больший динамический диапазон. Это позволило различить слабые структуры рядом с яркими областями и проследить их изменение во времени.
Ранее движение релятивистских струй в основном изучали по ярким компонентам, которые перемещаются вдоль них. Из-за геометрии и релятивистских скоростей некоторые из этих структур кажутся движущимися быстрее света, хотя специальная теория относительности при этом не нарушается.
Такие яркие компоненты часто интерпретировали как распространяющиеся ударные волны. Согласно этой модели, возмущение движется по струе, сжимает плазму и магнитное поле и создаёт область усиленного радиоизлучения.
Новая реконструкция позволила исследователям впервые получить локальное поле скоростей в разных частях струи 3C 345. Для этого они применили анализ оптического потока — метод, который определяет направление и скорость перемещения структур между последовательными кадрами.
Результат оказался неожиданным. Скорости ярких узлов были того же порядка, что и средняя скорость окружающего потока плазмы. Если бы они представляли собой сильные распространяющиеся ударные волны, исследователи ожидали бы заметного различия между скоростью самой структуры и потоком вещества.
Дополнительным аргументом стали данные о поляризации излучения. Учёные не обнаружили ожидаемой связи между яркими компонентами и максимумами степени поляризации, которая могла бы свидетельствовать о сильном сжатии и упорядочивании магнитного поля ударной волной.
Вместо этого авторы предполагают, что наблюдаемые узлы могут быть локально более яркими областями намагниченной плазмы. Их повышенная яркость может быть связана с усилением магнитного поля и релятивистским эффектом Доплера, когда излучение становится заметно ярче из-за направления движения вещества относительно наблюдателя.
Такое объяснение отличается от классической картины, в которой яркие компоненты рассматриваются прежде всего как ударные фронты, движущиеся по струе. Однако авторы подчёркивают, что вывод относится непосредственно к 3C 345 и не означает, что ударные волны отсутствуют во всех релятивистских струях.
Главное преимущество kine состоит в возможности перейти от отслеживания отдельных ярких деталей к измерению мгновенного движения вещества в разных точках струи. Алгоритм одновременно использует информацию всех наблюдений, поэтому соседние моменты времени помогают улучшать реконструкцию каждого кадра.
Нейронное представление также создаёт гладкую непрерывную модель радиоизлучения, которую можно исследовать в любой момент времени между исходными наблюдениями. Благодаря этому движение можно анализировать не только по положению нескольких компонентов, но и практически по всей видимой структуре струи.
Авторы считают, что применение kine к архивам длительных программ наблюдений позволит построить подобные карты движения для сотен активных галактических ядер. Это поможет проверить, насколько широко распространена картина, обнаруженная у 3C 345, и действительно ли интерпретацию ярких узлов как ударных волн необходимо пересматривать.
Метод потенциально может использоваться и для других быстро меняющихся радиоисточников. Исследователи также отмечают математическое сходство этой задачи с реконструкцией данных магнитно-резонансной томографии, что в будущем может привести к применению похожих подходов для визуализации движущихся органов.
Исследование в журнале Nature.