Двадцатилетние наблюдения за блазаром раскрыли новые загадки о работе космических джетов

Почти два десятилетия наблюдений за далёким блазаром PKS 2155-304 не помогли учёным окончательно объяснить происходящие в нём процессы, а, напротив, выявили новые загадки. Польско-немецкая группа исследователей обнаружила, что популярные модели, описывающие излучение блазаров, способны объяснить их поведение только на коротких временных интервалах. При длительном наблюдении объект демонстрирует значительно более сложную картину.

Блазары представляют собой активные галактики, из центральных областей которых в направлении Земли выбрасываются узкие струи раскалённого ионизированного вещества и излучения. Эти джеты формируются вблизи сверхмассивных чёрных дыр и в некоторых случаях могут простираться на десятки миллионов световых лет. Из-за того, что один из таких джетов направлен практически в сторону нашей планеты, галактика выглядит для наблюдателя как точечный источник исключительно яркого и переменного излучения.

Блазары излучают в чрезвычайно широком диапазоне электромагнитного спектра — от радиоволн и видимого света до ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения. При этом интенсивность их излучения может быстро меняться, причём изменения в разных диапазонах не всегда происходят одинаково.

Именно эта переменчивость делает блазары одними из самых сложных объектов для изучения. Астрономы наблюдают их уже несколько десятилетий, однако полноценным непрерывным мониторингом эти наблюдения назвать трудно. Для детального изучения необходимо одновременно отслеживать практически весь энергетический спектр и делать это постоянно, но таких универсальных обсерваторий пока не существует.

Обычно отдельные блазары наблюдают с интервалами в несколько месяцев или даже лет в рамках относительно коротких кампаний продолжительностью от нескольких дней до нескольких недель. При этом каждый инструмент регистрирует только определённый диапазон электромагнитного излучения.

Новая работа отличается значительно более продолжительным периодом анализа. Исследователи изучили почти 20 лет наблюдений за блазаром PKS 2155-304, расположенным примерно в 1,5 миллиарда световых лет от Земли в южном небесном полушарии, в направлении созвездия Южной Рыбы.

Для исследования учёные объединили данные двух космических обсерваторий США — телескопа Neil Gehrels Swift Observatory, который наблюдает в оптическом, ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах, и космического гамма-телескопа Fermi Gamma-ray Space Telescope.

Результаты показали, что наиболее распространённые теоретические модели блазаров не способны полностью объяснить поведение PKS 2155-304 на протяжении длительного времени. Согласно этим моделям, излучение формируется в одной области джета одной популяцией электронов. Однако такая схема работает только при анализе относительно коротких периодов наблюдений.

Одним из наиболее важных открытий стало отсутствие долгосрочной связи между изменениями излучения в разных диапазонах. Если бы оптическое и рентгеновское излучение формировались одной и той же популяцией электронов, изменения яркости в этих диапазонах должны были бы каким-то образом коррелировать друг с другом, возможно с небольшой временной задержкой.

Однако почти двадцатилетний набор данных такой устойчивой корреляции не обнаружил.

Исследователи также изучили изменения рентгеновского излучения блазара. Обычно при резком усилении рентгеновской яркости доля высокоэнергетических, или жёстких, рентгеновских фотонов увеличивается. Во время вспышки их должно становиться больше по сравнению с периодами низкой активности объекта.

В случае PKS 2155-304 за два десятилетия наблюдений подобная закономерность в долгосрочном масштабе обнаружена не была. При этом на более коротких интервалах соответствующая зависимость всё же проявлялась, но имела другую форму. Различия в характере изменений указывают на то, что отдельные вспышки блазара могут быть связаны с несколько разными физическими механизмами.

Дополнительную загадку исследователи обнаружили при анализе полного энергетического спектра объекта. В спектре блазаров обычно наблюдаются два выраженных максимума, разделённых своеобразным провалом. Считается, что первый максимум на низких энергиях связан с электронами и синхротронным излучением, которое они испускают.

Происхождение второго, высокоэнергетического максимума остаётся менее определённым. Одним из возможных объяснений считается обратное комптоновское рассеяние, при котором электроны передают энергию низкоэнергетическим фотонам и значительно повышают их энергию. Однако исследователи не исключают и другой вариант, связанный с адронами — частицами, состоящими из кварков, такими как протоны и нейтроны.

Особенно необычная особенность появилась в данных двух наблюдений PKS 2155-304, проведённых в 2012 году. В его спектре был обнаружен дополнительный статистически значимый провал.

По словам ведущего автора исследования Алисии Вежхольской из Института ядерной физики Польской академии наук, появление дополнительного изменения формы спектра указывает на то, что между двумя наблюдениями действовал ещё один физический механизм, несмотря на отсутствие в это время мощной вспышки.

Теоретические расчёты показывают, что этот дополнительный механизм, вероятно, мог иметь адронную природу. Это особенно интересно для астрофизиков, поскольку подобные процессы потенциально способны приводить к образованию нейтрино.

Нейтрино — элементарные частицы с чрезвычайно малой массой, которые в огромном количестве пронизывают Вселенную. Обнаружить их крайне сложно, поскольку они очень слабо взаимодействуют с обычным веществом. На Земле регистрируются нейтрино, возникающие в результате радиоактивных процессов внутри планеты, прибывающие от Солнца, а также высокоэнергетические нейтрино из глубин космоса.

Происхождение последних до сих пор остаётся одной из нерешённых проблем астрофизики. Существуют как теоретические, так и наблюдательные свидетельства того, что источниками космических нейтрино могут быть блазары. Одним из наиболее известных примеров стало обнаружение нейтрино, пришедшего со стороны блазара TXS 0506+056 во время мощной вспышки этого объекта.

Новые результаты показывают, что длительные наблюдения могут раскрывать свойства блазаров, которые остаются незаметными во время коротких наблюдательных кампаний. Поведение PKS 2155-304 свидетельствует о том, что процессы внутри активных галактик могут быть значительно сложнее, чем предполагают модели, основанные на единственной области излучения и одной популяции электронов.

Исследователи считают, что дальнейшее многолетнее наблюдение подобных объектов в разных диапазонах энергии необходимо для понимания механизмов, которые управляют их излучением, а также для проверки возможной связи блазаров с происхождением высокоэнергетических космических нейтрино.

Исследование опубликовано в журнале Journal of High Energy Astrophysics.