Что такое джет галактики
Джет из чёрной дыры – уникальное космическое явление на месте галактического коллапса
НОВОСТИ КОСМОСА
Джет из чёрной дыры – уникальное космическое явление на месте галактического коллапса
Большую часть времени черная дыра проводят в покое – она находится в космическом пространстве и, выражаясь человеческим языком, «откровенно бездельничает». Все меняется с того момента, когда в гравитационное поле чёрной дыры попадает какой-либо объект. Конечно, шансов продолжить существование у «случайного гостя» практически нет, но сам процесс «кормления» чёрной дыры – удивительное явление.
Джет – прощание гибнущей звезды
Исход случайной встречи гигантского газового шара, который мы называем звездой, и чёрной дыры предсказуем. У светила, каким бы крупным и массивным оно ни оказалось, нет ни единого шанса – чёрная дыра поглотит его полностью. Объект распадается и теряет вещество постепенно, и на время вокруг непроницаемо-черной дыры создается аккреционный диск (яркое кольцевидное формирование, состоящее из нагретых до невероятных температур пылинок и облаков газа). Постепенно и он гаснет. Это означает конец существования звезды.
В большинстве случаев чёрная дыра просто разрывает встретившийся на ее пути космический объект и засасывает его, но иногда гибнущие звезды эффектно прощаются со Вселенной. Это происходит крайне редко, и ученые пока спорят о том, какими должны быть условия для формирования джета – именно так называют гигантскую плазменную струю, которая вырывается из центра чёрной дыры после поглощения звезды.
Причиной образования джетов считается взаимное воздействие аккреционного диска и магнтиного поля – при определенной комбинации условий плазменный поток «выстреливает» в космос со световой скоростью.
Джет «нашего времени»
Совсем недавно ученым удалось понаблюдать за формированием и расширением структуры джета практически в режиме «реального времени». Уникальное событие произошло в глубоком космосе, в 150 млн световых лет от нашей планеты, именно здесь столкнулись две галактики. В центре каждой из участниц «космического ДТП» есть сверхмассивная чёрная дыра (ориентировочная масса каждой составляет около 20 миллионов масс Солнца).
Обычно столкновение галактик проходит незамеченным для большинства объектов, входящих в их состав. Даже нашему Млечному Пути в далеком будущем предстоит столкнуться с соседствующей галактикой Андромеды, и ученые утверждают, что, если к моменту столкновения на Земле еще будет жизнь, то ей ничего не грозит – разве что ночное небо над головами потомков станет намного ярче.
Одной из небольших звезд Arp 299 (именно такое лаконичное название астрономы дали «месту происшествия») повезло намного меньше, чем миллионам ее «соседок» по галактике – она подошла слишком близко к сверхмассивной чёрной дыре.
Астрономы наблюдают за галактическим коллапсом уже довольно давно, а в январе 2005 года посредством Большого Канарского телескопа удалось зафиксировать аномальный выброс излучения в инфракрасном диапазоне. Спустя полгода аналогичное наблюдение было сделано с помощью радиоинтерферометра НРО США – и ученые поняли, что им выпала возможность пронаблюдать уникальное космическое явление.
Конечно, пронаблюдать явление в оптическом диапазоне невозможно – галактический коллапс происходит слишком далеко, кроме того, видимый свет блокируется газом, пылью, другими помехами.
Астрономы финского университета Турку говорят о том, что с течением времени растет яркость объекта в радиочастотном и инфракрасном диапазоне, тогда как о видимом и рентгеновском излучении такого сказать нельзя. Вероятно, плотные газопылевые скопления, встречающиеся на пути видимого и рентгеновского излучения, активно поглощают их и переводят в инфракрасный диапазон.
Наблюдения продолжались в штатном режиме, пока в 2015 году ученые не отметили, что материя в месте столкновения движется в одном направлении со значительной скоростью, близкой к световой – именно так ведет себя джет в теории.
Сейчас ведутся активные исследования и регистрируются все изменения в рассматриваемой области. Астрономам уже удалось получить ценную информацию о формировании и поведении релятивистских струй. Однако исследователи говорят о том, что полученные данные – только «вершина айсберга». Конечно, наблюдение за джетом с момента его зарождения позволило собрать уникальные сведения, однако вопросов о природе и происхождении таких явлений пока намного больше, чем ответов.
В частности, высказывается предположение, что релятивистские струи, считавшиеся явлением уникальным, на самом деле возникают во много раз чаще – просто мы не можем наблюдать их из-за большой удаленности и космических «помех». Если это так, и столкновение звезды с черной дырой с последующим выбросом джета – рядовое событие во Вселенной, возможно, риски для жизни в нашей галактике при грядущем столкновении с Андромедой сильно недооценены.
Прочитайте еще
SpaceX возобновляет полеты
Ракетоноситель Falcon-9 успешно добрался на орбиту в субботу, 14 января, и теперь SpaceX может вздохнуть спокойно и продолжать оказывать пусковые услуги после неудачи в прошлом году. На орбиту выведены 10 спутников-ретрансляторов оператора Iridium, которые позволят осуществлять связь между клиентами на земле, море и в небе. Полет возвращения начинает насыщенный список[…]
НАСА подписало соглашение о создании и разработке жилого модуля для проекта «Врата»
Что такое джет галактики
Джеты – струи плазмы, вырывающиеся из центральных областей некоторых небесных тел.
Самые мощные джеты наблюдаются у квазаров – галактик с наиболее активными ядрами. В центрах таких галактик находятся черные дыры с массами в миллиарды масс Солнца.
Рис. 1. Фото КА Хаббла
Центральное ядро галактики, сжавшееся до состояния черной дыры, сохраняет свой момент вращения и поэтому очень быстро вращается, захватывая во вращение падающее на него вещество. Падая в черную дыру по спирали, оно вращается все быстрее и быстрее, все сильнее разогревается от трения и превращается в горячую плазму. Так образуются аккреционный диск и его спиральное магнитное поле.
Аккреционные диски существуют у всех активных галактик, но только у некоторых наблюдаются джеты – узкие стремительные потоки плазмы, движущиеся в противоположные стороны вдоль оси вращения аккреционных дисков со скоростями, близкими к скорости света. Их длина может достигать десятков тысяч световых лет!
Излучение джетов – нетепловое, преимущественно синхротронное. Оно возникает при движении релятивистских электронов и других заряженных частиц в магнитных полях. Магнитное поле джетов – спиральное, как и у аккреционных дисков. Именно магнитное поле создает коллимированное излучение и обеспечивает устойчивость джетов.
Джеты активно исследуются учеными всего мира, но пока условия их образования остаются предметом дискуссий.
Почему не у всех объектов, имеющих аккреционные диски, возникают джеты? Каковы физические процессы, приводящие к образованию джетов? Черпают ли джеты энергию из черной дыры, замедляя ее вращение? Где рождается джет: у горизонта событий черной дыры или в аккреционном диске? Чьим магнитным полем формируется джет: аккреционного диска или черной дыры? Может ли черная дыра иметь магнитное поле?
На последний вопрос отвечает научный сотрудник Института Ядерной физики Сибирского отделения РАН: «Черная дыра характеризуется массой, моментом импульса и электрическим зарядом. Магнитное поле рядом с ней связывают с аккреционным диском, а не с ней самой. В принципе, если в природе существует магнитный заряд (монополь), то черная дыра может иметь еще одну характеристику – магнитный заряд». Таким образом и этот вопрос остается открытым.
Исходным материалом для ответов на эти и другие вопросы служат наблюдения, которые проводятся наземными и космическими обсерваториями во всех диапазонах длин волн от гамма- до радиоизлучения. О параметрах магнитных полей джетов судят по характеристикам поляризации их синхротронного излучения.
Приведем примеры некоторых наблюдений, подтверждающих образование джетов в аккреционных дисках.
Недавно группа российских астрофизиков Физического института Академии Наук и МФТИ обнаружила, что координаты некоторых квазаров, полученные космическим аппаратом Гайя, не совпадают с координатами, определяемыми при помощи наземных радиоинтерферометров. Во втором случае они немного смещены в сторону джетов.
Астрометрическая космическая обсерватория Гайя проводит наблюдения в видимой области спектра и выдает координаты самой яркой точки в центре наблюдаемой галактики, возможно, она совпадает с областью соприкосновения аккреционного диска с черной дырой (размер черной дыры в масштабе наблюдений – точка).
Радиоинтерферометрические наблюдения позволяют не только определять координаты, но и строить изображения центральных областей галактик и джетов, оценивать ряд их параметров. Возможно, что координаты наиболее яркой точки, полученные в радиодиапазоне, относятся к основанию джета, расположенном в аккреционном диске.
Наблюдатели собираются проследить, как будут изменяться координаты и яркость наблюдаемых объектов за время работы космического аппарата Гайя.
Международная группа ученых, включающая российских специалистов ФИАН, МФТИ, ГАИШ МГУ, получила исключительно детальное изображение джета сверхмассивной черной дыры галактики Персей А при помощи интерференционной системы из 40 наземных радиотелескопов и космической обсерватории Радиоастрон.
«Понять, что именно является источником джета, удалось за счет беспрецедентно высокого разрешения снимка, сделанного в радиодиапазоне, — оно составило 12 световых дней для дистанции в 230 миллионов световых лет. Такое разрешение позволило увидеть, что джет сразу, у самого своего основания стартует широким, цилиндрической формы потоком плазмы. Это нереально, что вещество джета выбрасывается от черной дыры — там просто недостаточно места для широкого основания джета, да и сильные гравитационные поля должны сильно искажать его форму. Согласно новым наблюдениям, ширина джета у самого основания равна тысячам радиусов горизонта событий черной дыры, и поэтому ею самой он порожден быть не может. Такая структура джета может быть только при условии, если в его формировании значительную роль сыграл аккреционный диск.» (рис. 3)
Очень интересные, но гораздо менее энергичные джеты наблюдаются у звезд. Например, у некоторых старых двойных звезд, из которых одна – нейтронная звезда или черная дыра, которая «намотала» на себя вещество соседней звезды.
Эмиссия джета двойной звезды Aql X-1 наблюдается в широком диапазоне длин волн от радио до рентгена. Один из компонентов – нейтронная звезда, а не черная дыра. Этот факт также подтверждает, что джеты могут образовываться не на поверхности черных дыр, а в аккреционных дисках.
Возможно образование джетов и у одиночных протозвезд. В заключение приведем примеры некоторых из них.
Звезды образуются путем гравитационного сжатия сгустков межзвездной среды. При этом сохраняется момент вращения сгустка и усиливается его магнитное поле. Вокруг центрального плотного тела образуется аккреционный диск, который может создать джеты.
Молодой объект НН 24 (рис. 1) находится в комплексе молекулярных облаков Орион В. Он испускает два иглоподобных джета: «Прорезая межзвездную среду, узкие высокоэнергичные джеты создают на своем пути серию светящихся ударных фронтов».
Наблюдение джета протозвезды Карма-7 производилось на большом радиоинтерферометре Альма (рис. 4). Вспышки в струе джета вызваны падением на протозвезду вещества из вращающегося вокруг неё диска.
Другой объект, НН 212 из созвездия Ориона, наблюдался в инфракрасном диапазоне на Европейской южной обсерватории. Его изображение представлено на рис 5. Его аккреционный диск обращен ребром к наблюдателю.
Джеты, действительно, очень интересные объекты. Особенно интересны джеты со скоростями, сравнимыми со скоростью света, так называемые релятивистские джеты.
Материал в сообщении очень интересный.
Уважаемый Виктор Михайлович!
При асимптотическом удалении возникает отрицательное ускорение, т.е. торможение. Это торможение обусловлено силой тяготения. Однако в приведенной модели, действительно, есть один важный недостаток. Я раньше на него не обращал внимания. Траектории частиц являются гиперболами. В описанной модели фокус гипербол не совпадает со звездой. Так что эти гиперболы не могут быть чисто кеплеровскими. В статье у меня выписаны интегралы движения, но для картинки я их упростил. По всей видимости при упрощении ошибся. Не обратил внимания на то, что фокус гипербол не совпадает со звездой. Покольку модель похожа на то, что должно быть, то теорию надо бы подправить. Интегралы движения выписывались в предположении наличия только силы тяготения самой звезды. В более полной теории надо учитывать самогравитацию всей совокупности частиц. Фактически это означает, что на частицы должна действовать дополнительная сила тяготения, например, сила тяготения от аккреционного диска.
Ваше замечание правильное. Временно убираю модель с сайта.
Уважаемый zhvictorm,
При движении частиц по траекториям, подобным описанным, не будет ли равновероятно образование потоков частиц (джетов) как от черной дыры, так и в направлении к черной дыре?
Уважаемая RMR_astra! Конечно, все траектории обратимы.
Джеты мешают точно определять координаты центров галактик
Рис. 1. Улучшение точности измерения координат за последние 2 тысячи лет. По вертикали указана точность наблюдений в угловых секундах. Красным выделены наблюдения за расположением звезд и планет невооруженным глазом со времен Гиппарха или в телескоп (после Галилея). Зеленые точки обозначают каталоги, построенные на основе изучения звездных параллаксов (то есть смещения более близких звезд относительно далеких неподвижных источников). Использование метода Доплера, определение красного смещения и запуск астрометрических спутников на орбиту Земли позволили радикально улучшить точность звездных каталогов в последние сто лет (синие точки). Прорывом можно считать запуск космического аппарата Hipparcos в 1989 году, который улучшил астрометрические данные сразу в сто раз. Изображение с сайта studfiles.net
Российские астрофизики заметили небольшое несовпадение координат квазаров, определенных с помощью оптического телескопа Gaia и наземной сети радиоинтерферометров. Его существование ранее предсказывалось теоретиками, но не было обнаружено или принималось за допустимую в экспериментах погрешность. Оказалось, что смещение координат вызвано особенностями среды у оснований джета — релятивистских струй, выбрасываемых из центров активных галактик. Этот эффект может помочь лучше разобраться в строении джетов, а также уточнить астрометрические каталоги.
Как вам кажется, изменится ли положение человека или какого-то предмета, если смотреть на него сквозь стеклышки разного цвета? А совпадут ли карты Земли, снятые в видимом и, например, инфракрасном свете? Из повседневного опыта мы знаем, что какие-то вещи будут видны лучше, какие-то хуже, но в целом ничего не изменится: человек останется там, где стоял, и ваш родной город не сдвинется, в какой бы части спектра вы его ни рассматривали. Оказывается, в космосе бывает и по-другому.
Изучением кинематики небесных тел и составлением точных каталогов, в которых указываются координаты объектов на небесной сфере и параметры их движения, занимается наука астрометрия. С терминов «прямое восхождение», «склонение», «небесный экватор» и «плоскость эклиптики» обычно начинался школьный курс астрономии (что, надо сказать, отбивало у многих учеников интерес к этой науке). Определять положения небесных светил, смещения и относительные расстояния человечество начало еще в древности и к настоящему времени усилиями тех немногих, кто всё же продрался через дебри различных координатных сеток, серьезно продвинулось в этом направлении (рис. 1).
К публикации в журнале MNRAS принята статья, в которой сообщается о многочисленных случаях несовпадения координат центров одних и тех же галактик, снятых в оптическом и радиодиапазонах (результаты работы были также представлены в сентябре в Ялте на всероссийской конференции «Астрономия: познание без границ»). Эти несовпадения кажутся удивительными, ведь оптические координаты были получены космическим телескопом Gaia, радиокоординаты — при помощи радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ), а оба эти проекта нацелены именно на получение максимально точных астрометрических данных.
Телескоп Gaia был запущен в 2011 году с амбициозной целью — составить самую точную карту нашей Галактики. На сегодняшний день телескоп передал координаты 1,14 миллиардов звезд, а в будущем планируется получить каталог с десятком миллиардов объектов. Кроме звезд в поле его зрения попадают и внегалактические объекты, в основном — активные ядра галактик (АЯГ). Их накопилось больше 100 тысяч, и это очень важная информация, которая нужна не только для составления карт, но и для изучения физических процессов в самой сердцевине этих ядер.
Соперником Gaia по точности определения координат является РСДБ-сеть (или VLBI-сеть, от англ. Very-long-baseline interferometry) — сеть телескопов, объединенная в один радиоинтерферометр. Несколько отдельных VLBI-проектов, в том числе международных, используют антенны, которые разнесены на расстояние до 8 тысяч километров. Подобные расстояния — это обязательное условие для аккуратного определения положения источников, когда имеешь дело с волнами радиодиапазона. Всё потому, что угловое разрешение телескопа, которое отвечает в том числе за точность позиционирования, напрямую зависит от длины волны. Десятиметровый телескоп отлично подойдет для работы с видимым светом, у которого длина волны составляет доли микрон, а вот для метровых и дециметровых волн радиодиапазона этого уже недостаточно. Приходится увеличивать размеры телескопа — точнее, использовать несколько удаленных друг от друга телескопов, работающих как единый инструмент.
Одной из самых больших проблем астрометрии является сведение каталогов разных длин волн вместе. Вот, например, в двух каталогах, оптическом и инфракрасном (ИК), присутствуют два объекта с очень похожими, но всё же не идентичными координатами. Что это — два разных объекта, между которыми миллиарды световых лет, или просто незначительная ошибка определения координат? Кроме того, угловое разрешение у телескопов обычно тоже сильно варьирует, и определить, являются ли одним и тем же объектом две точки, одна размером в 10 пикселей и полученная в радиодиапазоне, а другая — размером в 100 пикселей и полученная в рентгене, удается далеко не всегда. Поэтому какое-то время на небольшое несовпадение координат просто не обращали внимание, считая его следствием погрешностей измерения.
Авторы обсуждаемой статьи, сотрудник Центра космических полетов Годдарда Леонид Петров и заведующий лабораторией внегалактической астрономии ФИАН Юрий Ковалев, сравнили данные Gaia и VLBI и заметили, что для 6% внегалактических источников координаты центра могут отстоять друг от друга на целых 2 угловых миллисекунды. Сущие пустяки в обычной жизни — такие угловые размеры будут у двухрублевой монеты, которую держит ваш друг в Хабаровске, если, пренебрегая кривизной Земли, вы будете смотреть на нее из Москвы (без бинокля!). Однако когда мы говорим о координатах центров других галактик, такая разница в уголовых размерах приводит к ошибке примерно в один световой год. Это неприлично много для таких точных телескопов и к тому же превышает погрешность их измерений. Значит, это не ошибка и у смещения координат должно быть другое объяснение.
Астрофизики стали копать, и вот появилась первая зацепка: смещение координат чаще всего появлялось в активных ядрах галактик (АЯГ) с сильным радиоизлучением (см. Radio-loud AGN) и не было случайно ориентировано в пространстве. Если соединить линией две точки — два центра активного ядра галактики, где его видит радиотелескоп и где его видит Gaia, — то эта линия будет направлена вдоль джета — релятивистской струи, которая бьет из самого центра АЯГ. Получается, за смещением координат стоит какой-то физический феномен, который надо исследовать.
Исторически астрометристы возлагали очень большие надежды на привязку всех координат к квазарам — мощным и далеким АЯГ. Дело в том, что звезды не висят неподвижно в космосе, а летят со скоростью до нескольких сот километров в секунду, поэтому какой точности каталог ни сделай — со временем его данные будут накапливать всё больше ошибок. И даже если измерить собственную скорость звезд и вносить периодические поправки, проблему это полностью не решит. Квазары же удалены от нас на миллиарды световых лет, и, хоть и находятся в центрах галактик, которые могут двигаться с огромными скоростями, для нас всё равно выглядят практически неподвижными. Однако, как мы видим, всё оказалось не так просто.
Важная деталь: мы не можем напрямую сравнить снимки Gaia и VLBI. Возможно, вы подумаете, что трудность — в преобразовании радиосигнала в привычное нам двухмерное изображение. На самом деле всё наоборот: данные радиотелескопов можно отлично преобразовать в снимки с высоким угловым разрешением (рис. 2, см. также анимацию из статьи Радиоастрон рвет шаблоны), а вот Gaia передает на Землю ограниченный набор данных — только координаты, звездную величину и, для отдельных объектов, спектр. Это сделано потому, что каждый день Gaia наблюдает огромный участок неба, на котором находятся до 70 миллионов звезд, а записать и отправить на Землю полноценные снимки такого размера невозможно. Так что встроенный процессор на лету проводит необходимые измерения и к нам приходит уже частично обработанная информация.
Рис. 2. Изображение скопления галактик Abell 2256, полученное сетью радиотелескопов VLA. Более 500 галактик, входящих в это скопление, продолжают сталкиваться между собой, и это вызывает сильное радиоизлучение. Красным цветом показано длинноволновое радиоизлучение, синим — коротковолновое. Линия в правой части, переливающаяся всеми цветами радуги, вероятнее всего — джет. Изображение с сайта public.nrao.edu
Правда, для небольшой области вблизи центра Галактики астрономы, работающие с Gaia, сделали исключение (рис. 3). Плотность звезд там составляет немыслимые 4,6 миллиона на квадратный градус, и вычислительные способности космического телескопа просто не справляются с таким потоком данных. К тому же звезды там «налезают» друг на друга, и это сильно затрудняет измерение их видимого блеска. Поэтому было принято решение отправить на Землю необработанный участок неба площадью 0,6 квадратных градусов (это примерно соответствует размерам вашего мизинца с расстояния вытянутой руки).
Рис. 3. Скопление звезд рядом с центром нашей Галактики, фотография сделана телескопом Gaia. Каждая светлая точка— это звезда, темное пятно в левом верхнем углу — облако холодного газа, которое плохо пропускает видимый свет. Gaia постоянно вращается, сканируя небо участок за участком — поэтому изображение получается в виде подобных полос. Изображение с сайта phys.org
Но даже если пересмотреть программу наблюдений Gaia, сделать снимки интересующих нас объектов и передать их на Землю, то поможет это не сильно. Дело в том, что угловое разрешение телескопов (то есть то, насколько мелкие детали они могут разглядеть) обычно намного хуже точности определения координат. Так, например, теоретически достижимое угловое разрешение телескопа «Хаббл» — 50 угловых миллисекунд, а точность наведения на объект, используемая в рутинных наблюдениях, в 10 раз лучше. Это происходит из-за того, что любая, даже самая далекая звезда, пройдя через оптическую систему телескопа, фокусируется не в точку, а в некоторое пятно, которое определяется функцией размытия точки, а она в свою очередь зависит от свойств зеркал телескопа. Определить центр этого пятна намного проще, чем его мелкие детали (которые, конечно же, тоже будут размыты)
Раз нет возможности получить хорошее изображение центра АЯГ, надо построить физическую модель, которая сможет дать правдоподобное объяснение столь существенной разницы координат в оптическом и радиодиапазоне. Первый вопрос, который при этом возникает: можно ли сказать, что один телескоп дает более точные координаты, а второй — менее точные? Тут начинается самое интересное, и мы подходим к сути: как именно оба телескопа определяют координаты центра галактики? Центр квазара должен находиться там, где находится центр его яркости. А яркость определяется как средневзвешенное значение от координат звезд вокруг АЯГ, координат максимума яркости аккреционного диска и самых ярких элементов джета. Что такое «центр яркости» — это вопрос, который требует построения двухмерных моделей распределения потока излучения и недюжинных знаний математики. Использование разных моделей и принципиально разных способов обработки оптических и радиосигналов приводит к неизбежному факту: координаты одного и того же объекта в разных фильтрах никогда не будут совпадать с абсолютной точностью. Но, как мы уже узнали, в нашем случае валить всё на погрешности не получается. Значит, дело в самом квазаре.
Активный в радиодиапазоне квазар — а именно так называются интересующие нас источники — представляет собой сверхмассивную черную дыру в центре галактики, на которую падает вещество. Закручиваясь в аккреционный диск, частицы газа и пыли трутся друг о друга и разогреваются — чем ближе к центру этой гигантской спирали, тем сильнее. Что в точности происходит дальше, пока не известно, но взаимодействие колоссальных энергий, сверхсильных магнитных полей и массы черной дыры приводит к тому, что часть вещества не попадает внутрь, проваливаясь под горизонт событий, а, наоборот, выбрасывается наружу в виде двух узконаправленных джетов. Скорость ионизированного вещества в них близка к скорости света. Изучение таких джетов и причин их возникновения — передний край современной астрофизики высоких энергий, и приятно, что российские ученые вносят существенный вклад в мировую науку: проект «Радиоастрон», который состоит из космического радиотелескопа и наземных антенн, установленных по всему миру, занимается среди прочего наблюдением за наиболее яркими участками таких струй.
Структура джета сложна: там и различные разнонаправленные ударные волны, и взаимодействие плазмы с межзвездным веществом — и всё это под сильным влиянием общей теории относительности. Но что можно сказать определенно — это то, что джет кажется нам таким ярким потому, что основная часть энергии высвечивается с помощью синхротронного механизма: заряженные частицы испускают фотоны, двигаясь в сильном магнитном поле. Чем дальше от основания джета, тем слабее магнитные поля и, следовательно, слабее излучение. Однако это совсем не значит, что оптический телескоп увидит его как что-то похожее на луч лазерной указки, который выходит из линзы и постепенно ослабевает по мере удаления.
Из-за высокой плотности выбрасываемого вещества у основания джета среда становится менее прозрачной (астрофизики говорят об оптической толще τ), τ ≫ 1, и джет оказывается почти невидим. Он становится виднее немного дальше вдоль луча, когда τ ≈ 1. Причем этот физический эффект зависит от частоты излучения: чем ниже частота, тем дальше отстоит самая яркая часть джета от его основания (то есть от черной дыры). Радиоволны хуже проникают сквозь плотную среду, поэтому максимум яркости джета в радиодиапазоне расположен дальше от черной дыры, чем максимум в диапазоне оптическом. Авторы статьи смогли построить математическую модель, которая указывает на этот факт как на одну из причин сдвига координат. Таким образом, наложение двух эффектов — уменьшения оптической толщи и ослабления магнитного поля — приводит к тому, что яркость джета вдоль луча сначала увеличивается, а потом уменьшается (рис. 4). Вот и выходит, что в разных диапазонах электромагнитного спектра центры яркости джетов просто не совпадают друг с другом!
Рис. 4. Релятивистский джет близкой от нас гигантской галактики М87 в рентгеновском, радио- и оптическом диапазонах. Хорошо заметно, как меняется яркость одних и тех же участков на разной длине волн. Раньше считалось, что это не относится к центру джета (самая яркая точка в нижней левой части снимков кажется неподвижной), однако теперь мы знаем, что разные телескопы будут регистрировать его чуть-чуть сдвинутым — в пределах нескольких угловых миллисекунд (что, конечно же, неразличимо на этих картинках). Изображение с сайта physweb.bgu.ac.il
Из этого открытия следует практический вывод: не стоит использовать подобные квазары в качестве опорных маяков при составлении карт для межзвездных путешествий. Также это открытие должно помочь изучению и самих джетов. Поскольку, как уже было сказано, получить подробное изображение окрестностей далекой черной дыры мы сейчас не можем, о многих параметрах мы судим только по косвенным данным. А сравнив расстояния между координатами в различных диапазонах, можно, например, определить, как меняется оптическая толща в джете.
Еще одна причина несовпадения оптических и радиокоординат у квазаров — их переменность. Как мы уже выяснили, ядро галактики является активным, то есть излучает энергию, только пока на него аккрецирует вещество. Этот процесс достаточно стабилен на больших отрезках времени: джеты бьют из ядер миллионы лет. Но если присмотреться к ним внимательнее, то оказывается, что из-за неравномерности выпадения вещества на черную дыру квазар меняет интенсивность своего излучения в течение нескольких лет или даже недель. Причем, что важно, излучение меняется не во всём квазаре сразу: ярче может стать аккреционный диск, или основание джета, или какая-то его часть.
Этот процесс мало того что абсолютно непредсказуемый и спонтанный, так он еще на разных длинах волн наблюдается в разное время. А еслиучесть, что Gaia и VLBI могут отнаблюдать один и тот же источник с разницей в несколько лет, то совершенно очевидно, что координаты максимума яркости АЯГ (которые складываются, как было сказано выше, из средних значений координат максимумов яркости звезд вокруг АЯГ, аккреционного диска и джета) будут непрерывно колебаться. Эти колебания — или, как их еще называют, джиттер — будут неотъемлемой частью ошибок измерения всех координат активных внегалактических источников.
Однако минусы нередко оборачиваются плюсами: переменность излучения джетов дает уникальную возможность изучать их структуру. Поскольку Gaia собирается сканировать одни и те же участки несколько раз, то можно построить кривую изменения блеска подобных квазаров во времени, выделить из нее только ту часть, которая приходит от джета, и сравнить ее с теми, которые получаются у теоретиков. Пока возможность подобного подхода только просчитывается, однако, если он будет осуществлен, это поможет оценить физические характеристики области вблизи сердцевины релятивистской струи, куда не может добраться ни один из существующих телескопов.
Если вернуться к вопросу из начала статьи «Какой телескоп дает более правильные координаты?», то правильным ответом будет «Никакой». Поэтому отдельно в статье обсуждается возможность убрать влияние джиттера видимого и радиоизлучения. При последующей обработке сигнала, зная ориентацию джета в пространстве, а также сопоставляя его яркость на разных длинах волн, можно попытаться установить координаты истинного центра яркости квазара. Таким образом использование обоих каталогов должно существенно повысить точность определения координат квазара, а поскольку, как мы уже выяснили, их собственное смещение по небосклону пренебрежимо мало, то их в будущем планируется использовать для корректировки всех прочих каталогов.
Однако и этим не исчерпывается значение открытия несовпадения координат. Юрий Ковалев также предлагает использовать этот феномен для поиска слабых оптических джетов у так называемых радиотихих квазаров. Многие модели предсказывают, что если у квазара нет сильного радиоизлучения, это еще не значит, что у него нет джета. Он может быть просто слабым и почти невидимым. Однако, если у подобных объектов будет обнаружено несовпадение координат, это может стать косвенным указанием именно на такой джет. Если подобные объекты будут найдены, это может стать серьезным научным достижением.