Астрофизики из России, Германии, Финляндии и США изучили больше 300 квазаров — вращающихся черных дыр, из которых “бьют” горячие струи плазмы, — и обнаружили, что эти выбросы меняют свою форму при удалении от центра. Результаты исследования опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Квазары — одни из самых ярких объектов в космосе. Из-за своей чрезвычайной удаленности квазары считают неподвижными точками и относительно них измеряют параметры вращения Земли и координаты точек на ее поверхности. Поэтому очень важно достоверно знать природу их свечения.
Ученые под руководством Юрия Ковалева, член-корреспондента РАН, руководителя научных лабораторий в МФТИ и ФИАН, наблюдали за сотнями квазаров в течение двух десятков лет с помощью сети радиотелескопов по миру. В результате были получены изображения более 300 объектов и проведен автоматический анализ формы джетов — струй горячей плазмы, вырывающихся из их центров. Работа поддержана грантом Российского научного фонда (РНФ).
Ранее считалось, что джеты имеют форму конусов. Ученые нашли исключения из этого правила — у десяти квазаров по мере удаления от центра форма струй менялась с параболы на конус.
Разобраться в деталях джетов помогло близкое расположение этих объектов — весь десяток находится “всего” в сотнях миллионов световых лет от нас, а изменение формы выброса происходит на расстоянии десятков световых лет от черной дыры.
Изучив геометрию выбросов, ученые смогли разобраться, как разгоняется вещество в этих ярчайших системах далеких активных галактик.
Сверхмассивная черная дыра с массой до нескольких миллиардов масс Солнца притягивает к себе окружающее вещество. Вместе с веществом она собирает вокруг себя магнитное поле. Силовые линии поля работают как проволоки с нанизанными бусинами — заряженными частицами. Когда силовые линии вращаются, частицы ускоряются почти до скорости света. Эти течения и делают квазары такими яркими.
“Вопрос о механизме формирования и ускорения струй в далеких активных галактиках до сих пор плохо понят. А разобраться в принципах работы этих космических ускорителей крайне важно. Область, в которой джеты формируются, сложно рассмотреть. Она очень компактная, а объекты находятся далеко — там все просто сливается. Были разные теоретические модели, но не было наблюдательной информации, которая могла бы их проверить. Нам впервые удалось получить детальные данные о геометрии струйных выбросов для большого количества квазаров”, — приводятся в пресс-релизе РНФ слова Юрия Ковалева.
Геометрия струи зависит от баланса внутренних и внешних сил, магнитного поля, плазмы и межзвездного газа. Авторам работы удалось учесть все эти параметры и показать в своей модели, что форма джета естественным образом меняется с параболы на конус.
Как любой двигатель, “машина”, состоящая из вращающейся черной дыры и магнитного поля, имеет ограниченный запас мощности и не может разгонять частицы бесконечно. Ранее было известно, что плазма хорошо ускоряется только до определенной скорости, а потом ускорение падает до такой степени, что им можно пренебречь. Именно в этой точке и меняется геометрия выброса.
“Изменение формы выбросов наблюдалось в паре-тройке галактик и в более ранних исследованиях. Но не было сделано важного вывода о том, что это — не особенности какого-то определенного объекта, а свойство квазаров как класса. Нам удалось связать этот эффект с внутренними характеристиками струй. Это оказалось лаконичным и естественным объяснением”, — поясняет еще один автор исследования Елена Нохрина, кандидат физико-математических наук, заместитель заведующего лабораторией фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ.
Теперь ученые планируют оценить скорость вращения центральной черной дыры и разобраться в механизме формирования узких и очень быстрых выбросов плазмы в квазарах.
