Блазары снова и снова перезаряжают "аккумуляторы" чёрных дыр

С помощью космического телескопа Ферми астрономы исследуют два класса активных галактик самых высоких энергий, производящих широкий спектр излучения от радиодиапазона до гамма-лучей. Подобные галактики называются блазарами. Эти два класса блазаров различаются лишь способом извлечения энергии из центральных чёрных дыр, но учёные выявили, что одна форма блазаров со временем переходит в другую, при этом наблюдаются гибридные формы.

Астрономы, исследующие два класса галактик с чёрными дырами, наблюдаемые космическим гамма-телескопом НАСА Ферми, обнаружили доказательства того, что они являются разными сторонами одной и той же космической монеты. Пытаясь понять, как эти объекты, называемые блазарами, распределены по всей Вселенной, учёные предполагают, что отличительные свойства, определяющие каждый класс, вероятнее всего отражают изменение в способе, каким галактики черпают энергию от своих центральных чёрных дыр.

"Мы можем уподобить один класс блазаров неэкономичному автомобилю, а другой энергосберегающему электромобилю, – сказал ведущий исследователь Марко Ахельо, астрофизик из Клемсоновского университета в Южной Каролине. – Наши результаты показывают, что мы фактически видим гибриды блазаров, в которых при их старении по-разному используется энергия чёрных дыр".

Активные галактики обладают необычайно яркими ядрами, подпитывающимися от чёрных дыр, содержащих миллионы или даже миллиарды солнечных масс. Когда газ притягивается к этим сверхмассивным чёрных дырам, он попадает в аккреционный диск и нагревается. Вблизи границы чёрной дыры в результате не до конца изученных процессов некоторое количество газа выбрасывается из диска в виде струй (джетов), движущихся в противоположных направлениях почти со скоростью света.

Блазары являются самым высокоэнергетическим типом активных галактик и излучают свет во всех спектрах, от радио до гамма-лучей. Они составляют более половины дискретных источников гамма-излучения в каталоге космического телескопа широкой области обзора Ферми, который к настоящему времени обнаружил более 1000 источников. Астрономы полагают, что блазары кажутся настолько мощными, потому что они, как оказалось, расположены таким образом, что одна из струй находится практически вдоль нашей линии наблюдений. Мы почти прямо смотрим на основание струи из частиц, движущихся почти со скоростью света, на выбросы струи и на области, которые их производят, с нашей точки обзора это является доминирующим.

Чтобы считаться блазаром, активная галактика должна показать либо быстрые изменения в видимом спектре за короткий промежуток времени (несколько дней), а именно сильную оптическую поляризацию, либо ярко светиться в радиодиапазоне с "плоским спектром", то есть проявлять относительно небольшое изменение яркости в пределах соседних частот.

Астрономы определили две модели проявления блазаров. К первой из них относятся радио квазары плоского спектра (FSRQs), которые показывают мощное излучение от активного аккреционного диска, гораздо более высокую яркость, меньшие массы чёрных дыр и меньшее ускорение частиц в выбрасываемых струях. К другой модели принадлежат блазары, называемые BL Lacs (лацертидами), в которых полностью доминирует излучение от струй с высокоэнергетическими частицами, а излучение от аккреционного диска слабое или отсутствует.

Выступая на заседании Американского астрономического общества в Бостоне 3 июня этого года, Ахельо сказал, что он и его команда собирались изучить, каким образом менялось распределение этих объектов в масштабах космической истории, однако сложно получить исчерпывающую информацию о расстояниях до большого количества производящих гамма-излучение объектов BL Lacs.

"Когда мы всматриваемся в глубокий космос, одним из самых важных наших инструментов для определения расстояний в пространстве является смещение спектральных линий в сторону длин волн красного цвета, – пояснил член научной команды Дарио Гаспарини, астроном из Центра научных данных Итальянского космического агентства в Риме. – Из-за слабого излучения от аккреционного диска лацертидов чрезвычайно трудно измерить их красное смещение и, следовательно, установить расстояние".

Таким образом, команда выполнила обширную программу оптических наблюдений для измерения красных смещений объектов BL Lacs, обнаруженных Ферми.

"На этот проект было потрачено несколько лет, и его осуществление было бы невозможным без широкого использования нашими коллегами многих наземных обсерваторий", – сказал член команды Роджер Романи, астрофизик, лауреат премии Kavli по астрофизике и космологии, учреждённой совместно Стэнфордским университетом и Национальной лабораторией ускорителей элементарных частиц SLAC в Менло-Парк, Калифорния.

В исследование были включены 25 ночей наблюдений красного смещения в телескоп Хобби-Эберли в обсерватории Мак-Дональд, Техас, под руководством Романи; 8 ночей наблюдений с использованием 200-дюймового телескопа в обсерватории Паломар и 9 ночей исследований с помощью 10-метрового телескопа им. Кека на Гавайях во главе с Энтони Ридхедом из Калифорнийского технологического института в Пасадене, штат Калифорния; включены также 9 ночей наблюдений в телескопы Европейской южной обсерватории в Чили под руководством Гаррета Коттера из Оксфордского университета в Англии. Кроме того, важные данные были предоставлены камерой GROND в Чили под руководством Йохана Грейнера из Института внеземной физики Макса Планка в Гархинге, Германия, и ультрафиолетовым и оптическим телескопом на спутнике НАСА Swift.

Измерив расстояния примерно до 200 объектов BL Lacs и создав крупнейшую и наиболее полную выборку, доступную на сегодняшний день, исследователи смогли сравнить их распределение в космическом масштабе времени с аналогичной выборкой объектов FSRQs. В результате они выявили, что приблизительно 5,6 млрд. лет назад число объектов FSRQs начало сокращаться, а число объектов BL Lacs стабильно росло. Особенно увеличилось количество лацертидов самых высоких энергий, которые известны как синхротронные блазары максимально высоких энергий на основе определенного типа излучения.

"Мы полагаем, что видим здесь переход от одного способа извлечения энергии из центральной чёрной дыры к другому", – добавил Романи.

Большие галактики выросли благодаря столкновениям и слияниям с множеством меньших галактик, и этот процесс происходит с большей частотой по мере углубления в прошлое. Эти столкновения обеспечивают растущие галактики огромным количеством газа и смещают его так, что газу легче попасть к области вблизи центральной чёрной дыры, где он накапливается в огромном, горячем и ярком аккреционном диске наподобие тех, что наблюдаются в "неэкономичных" FSRQs. Часть газа вблизи чёрной дыры выбрасывается струёй, а остальной газ падает в чёрную дыру и постепенно увеличивает её скорость вращения.

Поскольку Вселенная расширяется, и плотность галактик уменьшается, именно галактические столкновения обеспечивают новые поступления газа к чёрной дыре. Аккреционный диск с течением времени истощается, но то, что остаётся, вращается всё быстрее вокруг более массивной чёрной дыры. Эти свойства позволяют объектам BL Lacs поддерживать мощные джеты, несмотря на относительно скудное количество материала, поступающего в чёрную дыру.

В действительности, энергия аккреции галактики, существующей в качестве FSRQ, сохраняется благодаря увеличению массы и скорости вращения его чёрной дыры, которая действует наподобие аккумулятора. Когда наполненный газом аккреционный диск истощается, блазар поставляет в чёрную дыру накопленную энергию, что, несмотря на снижение темпа аккреции, позволяет ей производить джеты и высокоэнергетическое излучение подобно объекту BL Lac.

Следует заметить, что светимость лацертидов должна уменьшаться с течением времени, так как чёрная дыра теряет энергию и снижает скорость вращения.

Астрономы планируют проверить эту идею с большими выборками блазаров, являющимися частью полного обзора всего неба, произведённого телескопом Ферми. Понимание деталей этого перехода потребует также более глубоких знаний о природе джетов, массах чёрных дыр и галактическом окружении блазаров обоих классов.

"Земля Хроники Жизни" по материалам NASA.