Двадцать лет наблюдений за одним блазером: новые загадки в астрономии

Астрономы, изучающие блазеры, столкнулись с непростой задачей: как можно понять объект, основываясь всего на нескольких фотографиях, сделанных с интервалом в десять лет? Блазер — это активная галактика, из центра которой, где находится сверхмассовая черная дыра, выбрасывается струя ионизированного вещества, направленная почти прямо на Землю. С этого ракурса галактика выглядит как яркая точка и излучает во всем диапазоне электромагнитного спектра, от радиоволн до гамма-лучей.

Блазеры обладают постоянными изменениями в яркости, причем различные диапазоны излучения могут вести себя совершенно независимо друг от друга. Например, рентгеновские лучи могут вести себя иначе, чем оптическое излучение, иногда даже в рамках одного наблюдения. Для полноценного изучения таких объектов требуются инструменты, способные фиксировать весь спектр непрерывно, однако таких приборов не существует. Поэтому астрономы проводят наблюдения в рамках кампаний: несколько дней каждые несколько месяцев или лет, сосредотачиваясь на узком диапазоне энергии, доступном конкретному телескопу.

An IXPE study found the best explanation for particle acceleration in these jets is a shock wave travelling through them. The inset shows high energy particles in blue, the electrons, in the standard picture, produce everything we see (Credit : NASA/Pablo Garcia)

Исследовательница Алиция Вержхольска из Института ядерной физики в Кракове совместно с Майклом Захариасом из Гейдельберга провели более продолжительное исследование. Их объектом наблюдений стал PKS 2155-304, который находится на расстоянии полтора миллиарда световых лет в южном созвездии Писцис Автрунус. Данные, собранные с помощью обсерваторий NASA Swift (для оптических, ультрафиолетовых и рентгеновских наблюдений) и Fermi (для гамма-лучей), охватывают почти два десятилетия.

Стандартная модель предполагает, что излучение исходит из одной области струи, создаваемой одной популяцией электронов. Если это так, то яркость оптического и рентгеновского излучения должна изменяться синхронно или с некоторым временным запаздыванием. Однако за двадцать лет наблюдений такая корреляция не была выявлена.

При вспышках блазера в рентгеновском диапазоне более высокоэнергетичные фотоны, как правило, становятся ярче быстрее, чем более мягкие. При анализе отдельных вспышек PKS 2155-304 можно наблюдать это поведение, но детали различаются от вспышки к вспышке, и за два десятилетия закономерность не прослеживается. Каждая вспышка, похоже, вызвана чем-то немного другим.

TXS 0506+056 in gamma rays, before its 2017 outburst. When a high energy neutrino arrived at the South Pole that September, Fermi found this blazar was the most active it had been in a decade, the one solid link we have between a cosmic neutrino and its source (Credit: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration)

Затем исследователи столкнулись с необычной серией наблюдений, которые всех озадачили. В двух измерениях 2012 года в спектре появился дополнительный провал, который оказался статистически значимым, и это произошло в момент, когда объект не проявлял вспышек. Между этими двумя измерениями что-то активировалось. Команда Вержхольской предполагает, что наиболее вероятным виновником является процесс, связанный с протонами, а не электронами.

Это открытие имеет особое значение, поскольку именно в ходе адронных процессов создаются нейтрино. Высокоэнергетические нейтрино уже много лет поступают на Землю из источников, которые никто не может идентифицировать, и теперь у нас есть одна надежная зацепка — блазер TXS 0506+056, пойманный в момент вспышки.