Телескоп Event Horizon изучил изгиб релятивистского выброса ядра галактики 3C 279

Международная коллаборация Event Horizon Telescope, объединяющая сотни исследователей из обсерваторий по всему миру, представила новые наблюдения активного ядра галактики 3C 279 на частоте 230 ГГц. Ученые обнаружили, что внутренняя часть релятивистской струи, выброшенной из окрестностей сверхмассивной черной дыры, имеет необычную изогнутую структуру, ориентированную почти перпендикулярно основному направлению струи. Работа опубликована в рецензируемом астрофизическом журнале A&A и доступна в архиве препринтов arXiv.

Галактика 3C 279 известна астрономам как один из самых ярких и активно изучаемых объектов во Вселенной. Она относится к классу блазаров — галактик, у которых мощный джет (струя плазмы) направлен практически прямо на Землю. Такая ориентация позволяет видеть излучение, многократно усиленное эффектом Доплера, и делает 3C 279 идеальной «лабораторией» для изучения того, как сверхмассивные черные дыры запускают и разгоняют гигантские космические струи.

В 2021 году телескопы EHT, которые фактически образуют единый виртуальный инструмент размером с Землю, направили свой взгляд на 3C 279 в течение нескольких ночей — 13, 17 и 18 апреля. К уже работавшим обсерваториям добавились две новые станции: 12-метровый телескоп Китт-Пик и французский интерферометр NOEMA. Это значительно улучшило качество получаемых изображений, позволив разглядеть детали размером всего в десятки микроастросекунд, это примерно как увидеть апельсин на поверхности Луны.

Главный сюрприз ждал исследователей, когда они восстановили окончательные снимки. Вместо ожидаемой компактной яркой точки, соответствующей «ядру» — основанию струи, они увидели вытянутую структуру, напоминающую крючок или дугу. Этот «крючок» состоял из нескольких ярких сгустков, обозначенных на схемах как C0, C2-0, C2-1, C2-2, C2-3 и C3.

Самым интересным оказалось то, что эта вытянутость направлена не вдоль струи, как можно было бы предположить, а почти поперек нее, с севера на юг. Такая странная морфология не является случайностью или ошибкой обработки: она повторялась на разных частотах (от 43 до 230 ГГц) и в разные ночи, а также была подтверждена независимыми методами восстановления изображений, включая классические и современные алгоритмы.

Чтобы убедиться в реальности увиденного, команда сравнила изображения EHT с данными других обсерваторий, работавших почти одновременно — на частотах 43 ГГц (VLBA) и 86 ГГц (GMVA). На всех снимках отчетливо просматривалась та же самая северная и южная «ветви», что и на высокочастотных изображениях EHT. Более того, похожая картина наблюдалась и в предыдущие годы — в 2011 и 2017 годах, хотя форма и ориентация внутренней области заметно менялись со временем. Это говорит о том, что джет 3C 279 не стабилен, а его основание постоянно «дышит» и перестраивается на масштабах всего нескольких лет.

Особый интерес для астрофизиков представляют скорости движения отдельных сгустков. Наблюдения за четыре дня показали, что компоненты группы C2 смещаются относительно друг друга со скоростями, которые в проекции на небо достигают десяти скоростей света (так называемые кажущиеся сверхсветовые движения). На самом деле это не нарушает теорию относительности, а объясняется тем, что джет летит почти на нас, а его истинная скорость близка к скорости света. Чтобы получить такие кажущиеся скорости, реальный фактор Лоренца (показатель того, насколько сильно разогнана плазма) должен быть не менее 10, а угол между струей и лучом зрения меньше одного градуса. Другими словами, в апреле 2021 года ученые смотрели на 3C 279 практически прямо в «ствол» джета.

Одновременно с этим ученые измерили яркостные температуры, условный показатель того, насколько горячим выглядит источник в радиодиапазоне. Оказалось, что они довольно низкие, порядка нескольких миллиардов кельвин в системе отсчета самого джета. Это значительно ниже тех температур, которые обычно связывают с плотной и непрозрачной плазмой. Такие значения говорят о том, что излучение на частоте 230 ГГц приходит к нам из прозрачных областей, где эффект самопоглощения уже не играет роли. Это полностью согласуется с картиной, где основание струи оптически тонкое, а ее яркость определяется не нагревом, а геометрией и магнитными полями.

Самая интригующая часть работы это попытка понять, что же заставляет внутреннюю часть джета так сильно изгибаться и менять ориентацию. Авторы рассматривают несколько возможных механизмов. Это может быть взаимодействие струи с межзвездной средой, пересоединение магнитных полей прямо у горизонта событий черной дыры или даже прецессия джета под влиянием гравитации второго, пока не обнаруженного напрямую компаньона, другой черной дыры в двойной системе.

Однако данных пока слишком мало, чтобы выбрать одну версию. Текущая сеть обсерваторий способна зафиксировать лишь отдельные эпизоды, но не проследить за медленной эволюцией на протяжении десятилетий. Поэтому ключевой вывод статьи звучит как призыв к дальнейшему регулярному мониторингу 3C 279 на разных частотах, только так можно отделить краткосрочные вспышки от долгосрочных изменений и понять истинную природу странного поведения этого яркого блазара.

Краткий итог исследования: в 2021 году телескоп Event Horizon Telescope заснял внутреннюю область струи галактики 3C 279 и обнаружил, что она имеет необычную поперечную структуру, похожую на изогнутый крючок. Отдельные сгустки плазмы движутся с кажущейся сверхсветовой скоростью, что указывает на экстремально малый угол наклона струи к лучу зрения и на фактор Лоренца не менее 10. Главная нерешенная загадка это причина сильной изменчивости и изгиба джета на субпарсековых масштабах. Для ее разгадки необходимы долгосрочные многочастотные наблюдения, которые помогут понять, вызваны ли эти эффекты нестабильностями, магнитными процессами или гравитационным влиянием невидимого спутника.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях