Ученые обнаружили «Око Саурона» в глубоком космосе

Фото из открытых источников

Астрономы разрешили десятилетнюю космическую загадку, обнаружив, по всей видимости, мифическое «Око Саурона», скрывающееся в далёкой Вселенной. Это ошеломляющее открытие стало результатом 15 лет сверхточных радиотелескопических наблюдений, которые наконец объяснили, почему этот, казалось бы, медленно движущийся небесный объект стал одним из самых ярких источников высокоэнергетического гамма-излучения и космических нейтрино, когда-либо зарегистрированных.

В этом новаторском отчёте, недавно опубликованном в журнале Astronomy & Astrophysics , рассказывается о PKS 1424+240 – блазаре, расположенном в миллиардах световых лет от Земли и давно озадачившем учёных. Эта активная галактика, питаемая сверхмассивной чёрной дырой, поглощающей вещество в своём ядре, выделялась как самый яркий из известных блазаров, излучающих нейтрино, идентифицированных нейтринной обсерваторией IceCube, одновременно испуская гамма-излучение очень высокой энергии, зарегистрированное наземными черенковскими телескопами.

Космическая загадка кроется в фундаментальном противоречии, известном как «кризис Доплера». В то время как необычайно яркое излучение блазара предполагало наличие у него быстро движущихся плазменных струй, радионаблюдения показали, что эти струи, по-видимому, движутся медленно, что противоречит устоявшимся теориям о том, что только самые быстрые струи могут создавать такую исключительную яркость.

Юрий Ковалев, ведущий автор исследования и главный исследователь проекта MuSES в Институте радиоастрономии Общества Макса Планка, описал момент открытия: «Когда мы реконструировали изображение, оно выглядело совершенно ошеломляюще. Мы никогда не видели ничего подобного — почти идеальное тороидальное магнитное поле с джетом, направленным прямо на нас».

Исследовательская группа использовала систему сверхдлинной базовой антенной решетки (VLBA), применяя метод, называемый сверхдлинной базовой интерферометрией (VLBI), который объединяет радиотелескопы по всему миру, образуя виртуальный телескоп размером с Землю. Это обеспечивает высочайшее разрешение, доступное в астрономии, позволяя учёным изучать мельчайшие детали далёких космических струй с беспрецедентной чёткостью.

Разгадка этой космической загадки кроется в необычайном геометрическом выравнивании. Команда обнаружила, что джет PKS 1424+240 направлен почти прямо на Землю, что позволяет астрономам наблюдать за ним прямо – угол обзора составляет менее 0,6 градуса. Это почти идеальное выравнивание создаёт то, что исследователи называют «взглядом в конус джета», – исключительно редкую возможность для наблюдений.

Эта лобовая геометрия создаёт впечатляющие эффекты благодаря специальной теории относительности. Джек Ливингстон, соавтор из Института Макса Планка, объяснил это явление:

Такое выравнивание приводит к увеличению яркости в 30 и более раз. В то же время из-за проекционных эффектов создаётся впечатление, что струя движется медленно — классическая оптическая иллюзия.

Поляризованные радиосигналы, полученные исследовательской группой, выявили структуру магнитного поля струи, которая, вероятно, имеет спиральную или тороидальную конфигурацию, напоминающую вымышленный Глаз Саурона из «Властелина колец» Дж. Р. Р. Толкиена. Эта тороидальная структура магнитного поля играет решающую роль в запуске и коллимации потока плазмы, одновременно ускоряя частицы до экстремальных энергий.

Это открытие имеет глубокие последствия для понимания принципов работы самых мощных ускорителей частиц во Вселенной. Результаты подтверждают, что активные ядра галактик, содержащие сверхмассивные чёрные дыры, функционируют не только как ускорители электронов, но и как ускорители протонов — вероятного источника высокоэнергетических нейтрино, обнаруженных IceCube.

Космические нейтрино — это практически безмассовые частицы, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, и способные проходить сквозь целые планеты без взаимодействия. Их обнаружение даёт уникальную возможность проникновения в суть самых интенсивных процессов во Вселенной, что делает нейтринное излучение PKS 1424+240 особенно важным для астрофизики.

Экстремальные релятивистские эффекты излучения блазара, с доплеровским фактором, достигающим приблизительно 32, обеспечивают его постоянную яркость и поддерживают высокий средний уровень потока. Это помещает PKS 1424+240 в 1% лучших источников гамма-излучения, одновременно делая его самым ярким блазаром с точки зрения испускания высокоэнергетических нейтрино.

Программа MOJAVE (Мониторинг джетов в ядрах активных галактик с помощью экспериментов VLBA) представляет собой многолетнюю работу по мониторингу релятивистских джетов в активных галактиках. Антон Зенсус, директор Института Макса Планка и соучредитель программы, рассказал о её важности: «Когда мы запускали проект MOJAVE, идея о том, что когда-нибудь мы сможем напрямую связать джеты далёких чёрных дыр с космическими нейтрино, казалась научной фантастикой. Сегодня наши наблюдения делают это реальностью».

Это достижение укрепляет связь между релятивистскими струями, нейтрино высоких энергий и структурами магнитного поля в космических ускорителях, знаменуя собой важную веху в многоканальной астрономии — изучении космических явлений с использованием различных типов сигналов, включая электромагнитное излучение, гравитационные волны и нейтрино.

Исследование показывает, что лишь несколько процентов джетов видны в пределах луча зрения, что делает PKS 1424+240 исключительно редкой находкой. Будущие наблюдения подобных блазаров, излучающих сверхвысокие энергии, будут иметь решающее значение для разработки количественных моделей образования нейтрино в космических джетах и лучшего понимания роли релятивистского излучения в гамма-излучении.