На расстоянии около 450 миллионов световых лет от Земли в созвездии Геркулеса находится галактика под названием Маркариан 501. На имеющихся у нас изображениях в видимом свете Маркариан 501 выглядит как простое, неинтересное пятно.
Но внешность может быть обманчива, особенно в космосе. Маркариан 501 - это стартовая площадка для заряженных частиц, движущихся со скоростью, близкой к скорости света. Из сердца галактики вырывается яркая струя высокоэнергетических частиц и излучения, устремляющаяся прямо в направлении Земли. Это делает его идеальной природной лабораторией для изучения ускоряющихся частиц - если только ученые смогут понять, что их вызывает.
В работе, опубликованной сегодня в журнале Nature, астрономы смогли заглянуть в сердце одной из таких струй и увидеть, что же в первую очередь разгоняет эти частицы. "Это первый раз, когда мы можем напрямую проверить модели ускорения частиц", - говорит Яннис Лиодакис, астроном из Университета Турку в Финляндии и ведущий автор статьи.
Маркариан 501 - это буквально сияющий пример особого класса галактик, называемых блазарами. Что делает эту галактику такой яркой, так это сверхмассивная черная дыра в ее центре. Эта гравитационно-плотная область извергает колоссальный поток высокоэнергетических частиц, образуя струю, которая движется со скоростью, близкой к скорости света, и простирается на сотни миллионов световых лет.
Во многих галактиках сверхмассивные черные дыры извергают подобные струи - их астрономы называют активными галактическими ядрами. Но блазары, подобные Маркариану 501, отличаются тем, что их джеты направлены прямо в сторону Земли. Астрономы могут использовать телескопы, настроенные на него, чтобы посмотреть вверх по течению и получить четкое представление о постоянном потоке частиц, несущихся сквозь волны всех частей электромагнитного спектра, от ярких радиоволн до видимого света и пылающего гамма-излучения.
Блазар может распространить свое влияние далеко за пределы своего уголка Вселенной. Например, детектор, погребенный под антарктическим льдом, поймал нейтрино - призрачную частицу с низкой массой, которая изо всех сил старается ускользнуть от физиков, - пришедшее от блазара под названием TXS 0506+56. Это был первый случай, когда исследователи зафиксировали нейтрино, прилетевшее на Землю из точки, находящейся за пределами Солнечной системы (да еще и на расстоянии 5 миллиардов световых лет).
Но что на самом деле заставляет сверхмассивную черную дыру формировать свет и другие электромагнитные волны? Что происходит внутри этой струи? Если бы вы занимались серфингом внутри нее, что бы вы почувствовали и увидели?
Ученые тоже хотят знать ответы на эти вопросы, и не только потому, что они представляют собой забавный, экстремальный мысленный эксперимент. Блазары являются естественными ускорителями частиц, и они намного больше и мощнее, чем любой ускоритель, который мы можем надеяться построить на Земле. Анализируя динамику струи блазара, они смогут узнать, какие природные процессы могут ускорить материю до скорости, близкой к скорости света. Более того, Маркариан-501 - один из самых желанных блазаров для изучения, поскольку он находится относительно близко к Земле, по крайней мере, по сравнению с другими блазарами, которые могут быть удалены на многие миллиарды световых лет.
Поэтому Лиодакис и десятки коллег со всего мира взялись за его наблюдение. Они использовали Imaging X-ray Polarization Explorer (IXPE), медузоподобный телескоп, запущенный НАСА в декабре 2021 года, чтобы проследить за длиной струи. В частности, IXPE изучал, поляризованы ли далекие рентгеновские лучи, и как их электромагнитные волны ориентированы в пространстве. Волны от лампы накаливания, например, не поляризованы - они колеблются во все стороны. Волны от ЖК-экрана, с другой стороны, поляризованы и колеблются только в одном направлении, именно поэтому вы можете проделывать такие трюки, как сделать свой экран невидимым для всех остальных.
Если астрономы знают поляризацию такого источника, как черная дыра, они могут восстановить, что в ней произошло. Лиодакис и его коллеги имели некоторое представление о том, чего ожидать, поскольку специалисты в их области ранее потратили годы на моделирование и симуляцию струй на компьютерах. "Впервые мы смогли напрямую проверить предсказания этих моделей", - объясняет он.
Они обнаружили, что виновниками были ударные волны: фронты быстро движущихся частиц врезались в более медленно движущиеся частицы, ускоряя их, подобно плотикам, толкаемым стремительной водой. Эти сильные столкновения создают рентгеновское излучение, которое астрономы увидели в показаниях IXPE.
Впервые астрономы использовали метод рентгеновской поляризации для получения результатов. "Это действительно прорыв в нашем понимании этих источников", - говорит Лиодакис.
В сопроводительной статье в журнале Nature Леа Маркотулли, астрофизик из Йельского университета, не являющаяся автором статьи, назвала результат "ослепительным". "Этот огромный скачок вперед еще на один шаг приближает нас к пониманию этих экстремальных ускорителей частиц", - написала она.
Конечно, вокруг струй остается много вопросов без ответов. Объясняют ли эти ударные волны все частицы, ускоряющиеся от черной дыры Маркариана 501? И есть ли подобные ударные волны у других блазаров и галактик?
Лиодакис говорит, что его группа продолжит изучение рентгеновских лучей от Маркариана 501, по крайней мере, до 2023 года. От такого ослепительного объекта трудно отвести взгляд.