Международная исследовательская группа астрономов недавно объявила, что они успешно разгадали давнюю загадку далекого блазара PKS 1424+240, объяснив, почему этот объект все еще может производить одно из самых ярких наблюдаемых высокоэнергетических гамма-лучей и космических нейтрино, хотя его реактивное движение кажется медленным. Соответствующие результаты были опубликованы в журнале Astronomy & Astrophysical Letters 6 июня.

PKS 1424+240 находится на расстоянии миллиардов световых лет от Земли, но уже давно хорошо известна в астрономическом сообществе. Это одновременно важный источник гамма-лучей чрезвычайно высокой энергии и один из самых ярких нейтринных блазаров, известных в настоящее время на небе. Это соответствует одному из самых заметных пиков высоких энергий на девятилетней карте всего неба нейтринной обсерватории IceCube. Исследовательская группа отметила, что это исследование не только связано с одним небесным телом, но также прямо указывает на основную проблему современной астрофизики высоких энергий — как экстремальные космические объекты ускоряют частицы до чрезвычайно высоких энергий и одновременно производят фотоны и нейтрино чрезвычайно высоких энергий.

Блазар — это тип активного галактического ядра, центром которого является сверхмассивная черная дыра. В то время как черная дыра поглощает окружающий материал, она выбрасывает плазменные струи со скоростью, близкой к скорости света, вдоль своей оси вращения к полюсам. По сравнению с другими активными ядрами галактик особенность блазаров состоит в том, что одна из струй почти обращена к Земле, благодаря чему она кажется исключительно яркой во всем электромагнитном диапазоне. Он также предоставляет ученым естественную «лабораторию» для изучения самых экстремальных физических процессов во Вселенной. Некоторые ученые описывают PKS 1424+240 как «Глаз Саурона» в глубоком космосе из-за геометрической структуры его изображения и струй, направленных к Земле.

Согласно теоретическим ожиданиям, самые яркие гамма-блазары часто сопровождаются струйными структурами, которые в радионаблюдениях кажутся движущимися очень быстро. Однако радионаблюдения за PKS 1424+240 показали, что его струи кажутся необычно медленными, и это противоречие стало частью длительной дискуссии, известной как «кризис доплеровского фактора». Чтобы выяснить правду, исследовательская группа получила и проанализировала данные наблюдений за 15 лет с помощью Очень длинной базовой линии (VLBA), которая состоит в общей сложности из 10 радиоантенн в континентальной части Соединенных Штатов, на Гавайях и острове Санта-Крус.

Ученые используют технологию интерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ) для совместной обработки сигналов от радиотелескопов, распределенных по обширной территории, что эквивалентно использованию виртуального телескопа «земного калибра» для получения чрезвычайно высокого углового разрешения. Команда объединила в общей сложности 42 радиоизображения с информацией о поляризации, полученной в период с 2009 по 2025 год, чтобы построить более глубокое и детальное изображение самолета, чем когда-либо прежде. Эти наблюдения являются частью долгосрочного проекта MOJAVE (Мониторинг активных галактических ядерных струй с помощью VLBA), целью которого является систематическое изучение яркости, поляризации и структуры магнитного поля активных галактических струй, чтобы понять, как активность вблизи сверхмассивных черных дыр связана с высокоэнергетическим излучением и производством нейтрино.

«Когда мы реконструировали это изображение, оно было просто ошеломляющим», — сказал первый автор Юрий Ковалев, который возглавляет проект Mu SES и сейчас работает в Институте радиоастрономии Макса Планка. «Мы никогда не видели такой сцены — струи, почти обращенной к нам, сопровождаемой почти идеальной кольцевой (кольцеобразной) структурой магнитного поля». Результаты показывают, что Земля находится почти прямо на оси этой струи, а угол ее луча зрения составляет менее 0,6 градуса. Другими словами, люди смотрят практически прямо на струю по направлению.

Эта геометрическая структура стала ключом к разгадке тайны. Поскольку струя направлена ​​почти точно на Землю, эффект доплеровского осветления в теории относительности значительно увеличит ее видимую яркость в нашем направлении. Исследование показало, что этот эффект может усилить излучение примерно в 30 раз и в то же время заставить струю двигаться медленнее, чем на самом деле на радиоизображениях, из-за эффекта проекции, создавая классическую «оптическую иллюзию». Соавтор Джек Ливингстон, также из Института радиоастрономии Макса Планка, отметил, что такое выравнивание не только объясняет чрезвычайное увеличение яркости, но и естественным образом решает давнюю проблему «струи слишком медленны».

Почти «лобовая» перспектива также дает ученым редкую возможность увидеть детали магнитного поля в струе. С помощью поляризованных радиосигналов команда обнаружила в струе четкую кольцеобразную (бубликообразную) составляющую магнитного поля, что указывало на то, что в струе существует непрерывный ток, а его магнитное поле играет важную роль в излучении, коллимации и стабильности струи. Исследователи предполагают, что эта тонкая магнитная структура может также быть одним из ключевых механизмов, ускоряющих частицы достаточно высоко, чтобы производить высокоэнергетические гамма-лучи и нейтрино.

«Раскрытие этой проблемы еще раз подтверждает, что активные ядра галактик, содержащие сверхмассивные черные дыры, являются не только мощными ускорителями высокоэнергетических электронов, но и естественными фабриками по ускорению протонов. Это источник высокоэнергетических нейтрино, которые мы наблюдаем». подчеркнул Ковалев. Это исследование является частью проекта MuSES (Multi-Messenger High Energy Study), финансируемого Европейским исследовательским советом, который фокусируется на изучении того, как активные ядра галактик ускоряют частицы и оставляют свой отпечаток в различных космических сигналах, таких как свет и нейтрино. Научное сообщество в целом считает, что выяснение точной связи между процессом ускорения протонов и рождением нейтрино остается сегодня одной из наиболее важных нерешенных проблем астрофизики.

Последние результаты не только объясняют, почему некоторые блазары все еще могут излучать чрезвычайно яркое высокоэнергетическое излучение, хотя струи кажутся «медленными», но также усиливают связь между несколькими ключевыми физическими элементами на более макроуровне: релятивистскими струями, структурами магнитного поля, гамма-лучами и нейтрино высоких энергий. Исследовательская группа заявила, что это открытие открывает новые ключи к пониманию самого мощного природного ускорителя частиц во Вселенной и дает важные знания для мульти-мессенджерной астрономии - совместным анализом нескольких «посланников», таких как фотоны и нейтрино, люди, как ожидается, смогут более полно восстановить истинный вид экстремальных событий во Вселенной.