Astronomy and Astrophysics: Мощный джет M87 вызвал редкую гамма-вспышку

M87, известная также как Virgo A или NGC 4486, — самый яркий объект в скоплении галактик Virgo, крупнейшем гравитационно связанном типе структуры во Вселенной. Он стал известен в апреле 2019 года после того, как ученые из EHT опубликовали первое изображение черной дыры в его центре.

В исследовании, опубликованном в журнале Astronomy and Astrophysics под руководством многоволновой рабочей группы EHT, представлены данные второй наблюдательной кампании EHT, проведенной в апреле 2018 года с участием более 25 наземных и орбитальных телескопов.

Авторы сообщают о первом за более чем десятилетие наблюдении высокоэнергетической гамма-вспышки от сверхмассивной черной дыры M87, основанном на почти одновременных спектрах галактики, охватывающих самый широкий диапазон длин волн из когда-либо собранных.

Нам повезло обнаружить гамма-вспышку от M87 во время многоволновой кампании Event Horizon Telescope. Это первая вспышка гамма-излучения, наблюдаемая в этом источнике более чем за десять лет, что позволило нам точно определить размер области, ответственной за наблюдаемое гамма-излучение. Наблюдения — как недавние с помощью более чувствительной матрицы EHT, так и запланированные на ближайшие годы — дадут бесценные сведения и исключительную возможность изучить физику, окружающую сверхмассивную черную дыру M87.

Эти усилия обещают пролить свет на связь между диском и струей и раскрыть происхождение и механизмы, лежащие в основе гамма-излучения фотонов, — говорит Джакомо Принчипе, один из координаторов работы, исследователь из Университета Триеста, связанный с INAF и INFN.

Релятивистская струя, изученная исследователями, удивляет своими масштабами, достигая размеров, превышающих горизонт событий черной дыры в десятки миллионов раз (7 порядков величины) — это сродни разнице между размерами бактерии и самого большого из известных синих китов.

Энергичная вспышка, длившаяся около трех дней и указывающая на область излучения размером менее трех световых дней (~170 AU, где 1 астрономическая единица — расстояние от Солнца до Земли), показала яркий всплеск высокоэнергетического излучения — намного выше энергий, обычно фиксируемых радиотелескопами из области черной дыры.

Активность этой сверхмассивной черной дыры крайне непредсказуема — трудно предсказать, когда произойдет вспышка. Контрастные данные, полученные в 2017 и 2018 годах, представляющие собой фазы покоя и активности, соответственно, дают важнейшее представление о цикле активности этой загадочной черной дыры, — говорит Казухиро Хада из Университета города Нагоя, который руководил радионаблюдениями и анализом многоволновой кампании.

Продолжительность вспышки примерно соответствует размеру эмиссионной области. Быстрая изменчивость гамма-излучения указывает на то, что область вспышки очень мала, всего лишь примерно в десять раз больше размера центральной черной дыры. Интересно, что резкая переменность, наблюдаемая в гамма-лучах, не была обнаружена в других диапазонах длин волн. Это говорит о том, что область вспышки имеет сложную структуру и проявляет различные характеристики в зависимости от длины волны, — объясняет Даниэль Мазин из Института исследований космических лучей Токийского университета, член команды телескопа MAGIC, обнаружившей вспышку гамма-излучения.

Во второй кампании EHT и многоволновой кампании 2018 года было задействовано более двух десятков высококлассных обсерваторий, включая телескопы НАСА Fermi-LAT, HST, NuSTAR, Chandra и Swift, а также три крупнейших в мире массива Imaging Atmospheric Cherenkov Telescope (H.E.S.S., MAGIC и VERITAS). Эти обсерватории чувствительны к рентгеновским фотонам, а также к гамма-лучам очень высоких энергий (VHE), соответственно. Во время кампании прибор LAT на борту космической обсерватории Fermi обнаружил увеличение потока высокоэнергетического гамма-излучения с энергией, в миллиарды раз превышающей энергию видимого света. Затем Chandra и NuSTAR собрали высококачественные данные в рентгеновском диапазоне. Радио наблюдения East Asian VLBI Network (EAVN) показывают очевидное ежегодное изменение угла положения струи в пределах нескольких микросекунд дуги от ядра галактики.

Объединив информацию об изменении направления струи, распределении яркости кольца, наблюдаемого EHT, и гамма-излучения, мы сможем лучше понять механизмы производства излучения очень высоких энергий, — говорит Мотоки Кино из Университета Когакуин, координатор наблюдений EAVN во время кампании.

Данные также показывают значительное изменение угла положения асимметрии кольца (так называемого горизонта событий черной дыры) и положения струи, что позволяет предположить наличие физической связи между этими структурами в совершенно разных масштабах.

Исследователь объясняет:

На первом изображении, полученном в ходе наблюдательной кампании 2018 года, было видно, что эмиссия вдоль кольца неоднородна и представляет собой асимметрию (т.е. более яркие области). Последующие наблюдения, проведенные в 2018 году и связанные с этой статьей, подтвердили эти данные, подчеркнув, что угол положения асимметрии изменился.

Команда также сравнила наблюдаемые широкополосные многоволновые спектры с теоретическими моделями эмиссии.

Вспышка 2018 года продемонстрировала особенно сильное усиление в гамма-лучах. Возможно, частицы сверхвысоких энергий подверглись дополнительному ускорению в той же области излучения, которая наблюдалась в спокойном состоянии, или же новое ускорение произошло в другой области излучения, — говорит Томохиса Кавашима из Института исследований космических лучей, который провел моделирование с помощью суперкомпьютера, установленного в Национальной астрономической обсерватории Японии.

Как и где ускоряются частицы в джетах сверхмассивных черных дыр — давняя загадка. Впервые мы можем совместить прямую визуализацию областей ближнего горизонта событий во время гамма-вспышек с событиями ускорения частиц и проверить теории о происхождении вспышек», — говорит Сера Маркофф, профессор Амстердамского университета и соавтор исследования.

Это открытие прокладывает путь для стимулирования будущих исследований и потенциальных прорывов в понимании Вселенной.

Ранее ученые открыли галактику, которой просто не должно быть.

13.12.2024