Ученые объяснили поведение оптического излучения блазаров

Исследователи из Санкт-Петербургского государственного университета проанализировали данные оптических телескопов более чем за восемь лет и смогли объяснить механизм вращения плоскости поляризации в блазарах. Результаты исследования опубликованы в MNRAS — одном из ведущих астрофизических журналов, который выпускает Королевское астрономическое общество.

Как отмечает один из авторов статьи, старший научный сотрудник кафедры астрофизики СПбГУ Дмитрий Блинов, поляризацию света активных ядер галактик исследователи изучают более 50 лет.

Одни из первых научных работ на эту тему были опубликованы еще в 1960-х годах профессором кафедры астрофизики СПбГУ Владимиром Александровичем Гаген-Торном и доцентом кафедры астрофизики ЛГУ Виктором Алексеевичем Домбровским.

Во Вселенной основной материал сконцентрирован в галактиках с сотнями миллиардов звезд: в Млечном пути их насчитывается около 200–400. В центре галактик находятся сверхмассивные черные дыры, чья масса колеблется от миллионов до миллиардов масс Солнца.

Вокруг черных дыр находится большое количество звезд, газа и пыли, которые, оказываясь слишком близко к черной дыре, «падают» в нее. Однако черная дыра не может поглотить это полностью и выбрасывает часть вещества в межгалактическое пространство в виде экстремально быстрых струй плазмы — так называемых джетов.

Наиболее удобными объектами для изучения этого явления считаются блазары — активные ядра галактик с очень большой светимостью, чей поток плазмы (джет) направлен в сторону Земли под углом не более 15 градусов. Такие объекты являются основными источниками космического гамма-излучения, природа и свойства которого не до конца исследованы. Кроме того, блазары озадачивают астрономов и другими явлениями, в числе которых вращение плоскости поляризации.

Плоскость поляризации волны — это плоскость, в которой вектор (например, электрический) колеблется, изменяется. На рисунке ниже голубым показаны колебания электрического вектора, а красным — плоскость поляризации.

Свет, который мы видим в природе, как правило, состоит из множества таких волн, направленных в разные стороны, в этом случае ориентация плоскости поляризации случайна (на рисунке слева). Полностью поляризованный свет (на рисунке справа) распространяется с колебаниями электрического вектора только в одной плоскости — такое явление можно наблюдать в некоторых лазерах.

Однако физические процессы в основном создают частично поляризованный свет, когда электромагнитные волны в пучке света чаще колеблются вдоль одного из направлений. Так, на рисунке посередине показаны электромагнитные волны в пучке частично поляризованного света, направленного в сторону читателя.

Именно такой свет наблюдают ученые, исследуя блазары: для этого они изучают активные ядра галактик через телескоп со специальным поляризационным фильтром, похожим на солнцезащитные очки, которые пропускают колебания только в одной плоскости.

Десятилетия наблюдений показали, что плоскость поляризации видимого света у блазаров иногда вращается. Ученые выдвигали несколько гипотез, которые могли бы описывать механизм подобных вращений, но ни одна из них не имела достаточных доказательств.

Исследовательская группа лаборатории наблюдательной астрофизики СПбГУ обратила внимание на одну из теоретических моделей, которая была предложена еще в 2010 году в научной статье, где также принимали участие сотрудники СПбГУ. В ней рассматривалось вращение плоскости поляризации и было предсказано, что такие вращения должны совпадать с повторяющимися вспышками гамма-излучения.

Чтобы проверить эту гипотезу, группа исследователей СПбГУ в сотрудничестве с учеными из Института астрофизических исследований Бостонского университета, Института радиоастрономии Макса Планка и других научных организаций проанализировала общедоступные данные космической гамма-обсерватории Ферми, которая наблюдала один из самых активных блазаров 3C 279, а также результаты наблюдений обсерватории СПбГУ, Крымской астрофизической обсерватории, телескопа Перкинс и других.

«Мы сопоставили результаты многочисленных наблюдений поляризации оптического излучения блазара 3C 279 с открытыми данными телескопа Ферми, который с 2008 года регулярно сканирует все небо и показывает распределение потока гамма-лучей. Нам удалось обнаружить картину вспышек у этого блазара, которая повторялась по меньшей мере три раза вместе с вращениями оптической поляризации. Это подтверждает предложенную ранее модель, объясняющую вращения поляризации», — рассказывает Дмитрий Блинов.

Кроме того, опираясь на полученные данные, исследователи смогли описать структуру внутренней части джетов. Оказалось, что быстрый хребет, центр джета, окружен более медленной оболочкой, которая состоит из кольцеобразных конденсаций.

Когда сгусток плазмы продвигается в хребте джета на огромной скорости, он рассеивает низкоэнергетические фотоны от оболочки до энергии гамма-диапазона, из-за чего происходят вспышки, которые и наблюдали ученые. Так как кольцеобразные структуры оболочки оказались стабильны на протяжении многих лет наблюдений, такие вспышки повторились несколько раз.

Полученные в ходе исследования результаты стали основой 3D-анимации, которая дает представление о процессах, происходящих во внутренних частях активных ядер галактик.

По словам Дмитрия Блинова, в дальнейшем подобные паттерны вспышек в гамма-диапазоне могут помочь прояснить другие вопросы. Так, по одной из гипотез именно джеты с быстрыми хребтами и медленной оболочкой могут производить фундаментальные космические частицы — нейтрино, а повторяющиеся паттерны вспышек могут указывать на блазары, которые излучают космические нейтрино.