Если представить, что мы смотрим на звезду, свет которой шёл к нам миллиарды лет, когда Вселенная была совсем юной, а Земля ещё даже не родилась, и умножить яркость этого света в тысячи раз, то мы получим квазар — один из самых мощных и загадочных объектов в космосе. Эти космические маяки, сияющие с невероятной силой, позволяют нам заглянуть в далекое прошлое Вселенной, когда первые галактики только начинали формироваться. Среди них выделяются блазары — квазары, чьи струи плазмы направлены прямо на нас, словно гигантские прожекторы. Один из таких объектов — PKS 1614+051, расположенный на расстоянии более 11 миллиардов световых лет. Его изучение, как и недавнее открытие мощного квазара SRGA J2306+1556, помогает учёным раскрывать тайны рождения галактик и сверхмассивных черных дыр.
Гигантские космические двигатели
В центре почти каждой крупной галактики скрывается сверхмассивная черная дыра — объект с массой в миллиарды раз больше массы нашего Солнца. Когда газ, пыль или даже звезды попадают в ее гравитационные объятия, они образуют аккреционный диск — раскаленную структуру, вращающуюся с огромной скоростью. Этот диск излучает во всех диапазонах — от радиоволн до гамма-лучей, — делая квазары одними из самых ярких объектов во Вселенной. Их светимость может в тысячи раз превышать суммарное излучение всех звезд галактики, состоящей из сотен миллиардов светил.
Квазары — это активные ядра галактик, где черная дыра «питается» окружающим веществом, выделяя колоссальную энергию. Около 10–15% квазаров, таких как PKS 1614+051, являются «радиогромкими»: они излучают сильное радиоволновое излучение, которое создаётся в релятивистских струях, или джетах — узких потоках плазмы, которые выбрасываются из области вокруг центральной чёрной дыры со скоростью, близкой к скорости света. Из-за эффектов теории относительности Эйнштейна эти объекты кажутся нам особенно яркими и переменчивыми: их блеск может меняться за часы, дни или годы.
Наблюдая PKS 1614+051 почти три десятилетия, мы словно смотрели фильм о жизни гигантского космического двигателя в ранней Вселенной, только в очень замедленном темпе. Наши данные многолетних наблюдений на РАТАН-600 вместе с данными других участников коллаборации позволили выяснить, что переменность этого источника и задержки между изменениями на разных частотах соответствуют блазарам из ближней Вселенной, хотя для PKS 1614+051 они и растянуты во времени из-за большого красного смещения. Это подчеркивает важность долговременного многочастотного мониторинга активных ядер галактик для их надёжной классификации.
Загадка PKS 1614+051
PKS 1614+051 — один из самых далеких блазаров, известных науке. Его свет, который мы видим сегодня, был испущен, когда Вселенной было всего 10–15% от ее нынешнего возраста, около 11,5 миллиардов лет назад. Это делает его окном в эпоху, когда первые галактики и черные дыры только начинали формироваться. Учёные из Специальной астрофизической обсерватории РАН и других институтов изучали этот объект на протяжении 27 лет, используя уникальный российский радиотелескоп РАТАН-600 и другие инструменты. Их работа, опубликованная в 2024 году в журнале Astrophysical Bulletin, раскрывает удивительные особенности этого блазара.
Одна из загадок PKS 1614+051 — его радиоспектр, который имеет выраженный максимум на частоте около 5 ГГц. Обычно радиоспектр квазаров плавно убывает с ростом частоты, но у некоторых объектов, называемых HFP-источниками (от high-frequency peaker), наблюдается пик яркости.
Однако от обычных блазаров данный источник отличает ярко выраженный максимум в спектре в районе 5 ГГц, практически стабильный во времени.
Учёные предполагают, что такие пики могут указывать либо на молодость объекта (ему всего несколько тысяч лет), либо на его окружение плотным облаком газа, которое поглощает часть излучения. PKS 1614+051 уникален тем, что его максимум спектра остается стабильным на протяжении десятилетий, что необычно для блазаров, чьи характеристики часто меняются из-за вспышек в их джетах.
Главная ценность исследования заключается в комбинации длительного многочастотного мониторинга далекого блазара с детальным спектроскопическим изучением его окружения.
Это позволило учёным обнаружить признаки вращения газового облака вокруг блазара, что может быть ключом к пониманию его природы. Спектроскопия на Большом Телескопе Азимутальном (БТА) показала, что газ вокруг PKS 1614+051 движется упорядоченно, возможно, формируя гигантский диск размером в десятки тысяч световых лет. Это открытие намекает на сложное взаимодействие между черной дырой и окружающей средой, которое может определять свойства блазара.
Открытие признаков вращения газового облака напрямую связывает радио свойства блазара с оптическими данными об его окружении. Наши результаты убедительно показывают, что для понимания природы таких объектов недостаточно одного «снимка» — необходимо долговременное многоволновое исследование с привлечением лучших инструментальных возможностей.
SRGA J2306+1556: квазар, который удивил учёных
В то время как PKS 1614+051 переносит нас в раннюю Вселенную, другой квазар, SRGA J2306+1556, открытый телескопом ART-XC на борту обсерватории «Спектр-РГ», позволяет изучить процессы, характерные для более поздних эпох. Обнаруженный в 2020 году, этот объект находится на красном смещении z=0.4389, что соответствует возрасту Вселенной около 9 миллиардов лет. Несмотря на относительную «близость» по сравнению с PKS 1614+051, его рентгеновская светимость — около 5×10^45 эрг/с — делает его одним из самых мощных квазаров за последние пять миллиардов лет.
Это позволяет классифицировать объект как гигантскую радиогалактику и говорит о том, что благодаря аккреции на черную дыру огромная энергия выделяется не только в виде электромагнитного излучения, но и в виде механической энергии струй вещества, разогнанных почти до скорости света, причем этот процесс поддерживается в течение миллионов лет.
Радиоизображения показали, что этот квазар выбрасывает две гигантские струи плазмы, образующие «радиоуши» длиной 3 миллиона световых лет. Эти струи — результат аккреции вещества на черную дыру, которая выделяет энергию не только в виде излучения, но и в виде механической силы, разгоняющей плазму почти до скорости света.
Стоит отметить, что рентгеновское излучение SRGA J2306+1556 сильно варьируется: за несколько лет его яркость упала в несколько раз, что указывает на нестабильный процесс аккреции.
Обработав рентгеновские данные, полученные с обоих рентгеновских телескопов, мы выяснили, что в спектре источника присутствует сильный «завал» на низких энергиях. Иными словами, фотонов с малой энергией меньше, чем более энергичных.
Это делает SRGA J2306+1556 уникальной лабораторией для изучения того, как окружающая среда влияет на поведение квазаров.
Изучение квазаров и блазаров, таких как PKS 1614+051 и SRGA J2306+1556, помогает нам понять, как формировались первые галактики и сверхмассивные черные дыры. Эти объекты — не просто яркие точки на небе, а ключ к разгадке фундаментальных процессов, которые определили эволюцию Вселенной. Например, данные о вращающемся газовом диске вокруг PKS 1614+051 указывают на то, что черные дыры в ранней Вселенной могли расти, взаимодействуя с плотной окружающей средой. Это подтверждает теорию «обратной связи», согласно которой активные ядра галактик влияли на формирование звезд и структур галактик.
Квазары также служат естественными лабораториями для проверки физических теорий. Их экстремальные условия — мощные магнитные поля, релятивистские скорости, высокие энергии — позволяют учёным изучать процессы, которые невозможно воссоздать на Земле. Например, анализ джетов блазаров помогает понять, как частицы ускоряются до скоростей, близких к световой, и как магнитные поля управляют этими потоками.
Современные технологии открывают новые горизонты для изучения квазаров. Российский телескоп РАТАН-600, использованный для наблюдений PKS 1614+051, позволяет проводить одновременные измерения на разных частотах, что критически важно для изучения переменности. Обсерватория «Спектр-РГ» с телескопом ART-XC продолжает сканировать небо, обнаруживая новые квазары, такие как SRGA J2306+1556. Квазары и блазары — не просто космические феномены, а ключи к пониманию истории Вселенной. Они позволяют нам заглянуть в эпоху, когда рождались первые галактики, и изучить процессы, которые сформировали космос таким, каким мы его знаем.
Яркость квазаров позволяет фиксировать объекты, находящиеся на расстояниях в миллиарды световых лет. Свет квазаров проходит через межгалактическую среду и неизбежно взаимодействует с веществом, находящимся на его пути. Эти взаимодействия оставляют уникальные отпечатки в спектре излучения, которые становятся источником данных о составе, температуре и плотности газа между галактиками. Кроме того, наблюдения за квазарами предоставляют возможность исследовать динамику гипотетической тёмной материи. Одним из ключевых инструментов изучения её структуры является явление гравитационного линзирования, когда свет от далёкого квазара изгибается под действием гравитации массивных объектов на его пути. Это создаёт эффект, при котором изображение квазара разделяется на несколько компонентов или растягивается в кольца.
В будущем глобальные сети радиотелескопов, такие как Event Horizon Telescope, смогут создать изображения джетов с невероятной детализацией, позволяя измерить их скорость и структуру. Кроме того, развитие технологий, использующих квазары для навигации, может открыть новые возможности для исследования дальнего космоса.
Читайте ещё материалы по теме:
Загадочный объект размером больше Земли, похожий на птицу или космолёт, заметили над Солнцем
Один из самых сильных корональных выбросов за последние годы зафиксирован у южного полюса Солнца