Загадките на космическата лаборат ория

Международен екип от учени с участието и на български астрономи изследва излъчвания от блазара BL Lac и публикува резултатите в сп. Nature

Наскоро излезе новината, че в бр. 7926 на сп. Nature е публикувана статия на международен колектив с участието на български астрономи. Изследванията са свързани с цикли на осцилираща яркост в струя от високоенергийни частици, излъчвани от блазара BL Lac. Използвани са наблюдения на 37 различни телескопа в 13 държави. Нашите резултати са получени с двуметровия RCC телескоп и с 50/70 см Шмит телескоп на Националната астрономическа обсерватория Рожен, както и с 60-сантиметровия телескоп в Астрономическата обсерватория в Белоградчик. Съавтори на статията от българска страна от Института по астрономия с НАО са проф. д-р Румен Бачев, проф. д-р Евгени Семков, доц. д-р Антон Стригачев и гл. ас. д-р Александър Куртенков. Това е втората публикация на този колектив в сп. Nature на тема блазари. Първата представя изследване на блазара СТА 102 и е публикувана през декември 2017 г. За повече подробности се обърнахме към най-младия член в авторския колектив – гл. ас. д-р Александър Куртенков.

Художествена интерпретация на явлението блазар и изхвърляната от него
струя от високоенергийни частици

Зина СОКОЛОВА

Блазарите са едно от многото проявления на т.нар. активни галактични ядра – казва д-р Куртенков и разяснява какво представ-
ляват те. – Всяка голяма галактика има в ядрото си свръхмасивна черна дупка. Тази в центъра на нашата е с маса около 4 млн. слънчеви маси. За сравнение, галактиката, която учените наблюдават като обекта BL Lac, има в ядрото си черна дупка с маса около 170 млн. слънчеви маси.“
Някои галактични ядра са активни, други – не. Нашата галактика няма активно ядро. Върху черната дупка в центъра ѝ не се изсипва непрестанно материя в големи количества, макар тя да има много голяма маса и да доминира гравитационното поле в ядрото на галактиката. Около нея обикалят звезди, както и газови облаци, но липсва голям акреционен диск. При активните ядра непрестанно се стича материя, която се разкъсва от приливни взаимодействия и заема формата на акреционен диск около черната дупка. В него материята е нагрята до температури, достигащи 1 милион градуса.
„Малко по-навън спрямо черната дупка има струпване на газ – обяснява д-р Куртенков. – Газът, който е извън акреционния диск, се засича по т.нар. емисионни линии. Движи се с висока скорост – до няколко хиляди километра в секунда във вътрешните части. По-навън температурата е достатъчно ниска, за да се кондензира прах във формата на тор – геометрична фигура, наподобяваща геврек и обхващаща цялата система, описана дотук.“

В самите централни части има заредена материя, която се движи с огромни скорости, което създава силно магнитно поле. То поражда изстрелване на потоци от заредени частици в две перпендикулярни струи (наречени „джетове“) от двете страни на диска.
„Това е т.нар. обединен модел на активните галактични ядра, приет през 80-те години – обяснява ученият. – Според него те имат различни проявления: Сийфъртови галактики, квазари, радиошумни галактики, блазари и т.н. Исторически, първо са открити Сийфъртовите галактики, които се наб-
людават сравнително лесно. При наблюдение на такава галактика в центъра ѝ виждаме ярка точка – т.е. ядрото ѝ свети като много ярка звезда. При обикновените галактики това не се наблюдава.“
В началото на 60-те години е направено много интересно откритие – астрономът Мартен Шмид открива първия квазар. При квазарите ядрото свети много мощно, но галактиката е доста далеч. Така че обикновено тя самата не се вижда, а само ядрото ѝ. На снимка квазарът е неразличим от звезда – изглежда като ярка точка. По спектри може да се пресметне скоростта на отдалечаване, което в астрономията се нарича радиална скорост. Ако обектът се приближава, радиалната скорост е с отрицателен знак. Звездите в нашата галактика имат характерни радиални скорости от порядъка на 10 – 20 докъм 100 – 200 км в секунда. Мартен Шмид обаче открива „звездичка“ с радиална скорост 16% от скоростта на светлината – почти 50 000 км в секунда.
„Това означава, че обектът не е от нашата галактика – казва д-р Куртенков. – Няма как да е в нея, защото не може много масивен обект да бъде ускорен до толкова висока скорост – няма как да му бъде придадена толкова голяма енергия. Единственото възможно обяснение е, че този обект е много далече. И той се отдалечава не защото е бил ускорен, а защото пространството между нас и обекта се разширява. Тоест това е извънгалактичен обект. Но щом е толкова далече, трябва да излъчва с огромна мощност, за да се наблюдава толкова ярък.
Мощността на квазарите е по-голяма от мощността на цяла галактика, въпреки че приличат на звездички на снимка.“
Блазарите са квазари, обаче джетът, по който се изхвърлят заредени частици, сочи към нас, обяснява ученият. „Това означава, че обектът пак се вижда като точица – галактиката около него е далеч и обикновено не се регистрира. Но тъй като джетът е насочен към нас, спектърът на блазара изглежда доста различно спрямо спектъра на обикновен квазар, а самият блазар изглежда по-ярък. В спектъра често почти няма емисионни линии, т.е. е непрекъснат. Блазарите са идеалните обекти за наблюдение, ако желаем да изследваме процесите в джета, свързани с екстремните магнитни полета и ускоряването на заредени частици.
Скоростите на материята в много от тези джетове са сравними със скоростта на светлината.
Това има фундаментална физична стойност като експеримент, защото не можем да го пренесем в земна лаборатория“, обобщава д-р Куртенков.
„Всъщност наблюдаваният спектър на обекта зависи до голяма степен от ъгъла, под който виждаме активното ядро. Например, ако наблюдаваме в равнината на геврека от прах, той закрива вътрешните части и единственото, което се вижда, е газът, който е далече от центъра и образува тесни емисионни линии. Но ако виждаме обекта под наклон от 40 – 50 градуса, можем да засечем топлинно лъчение, широки емисионни линии, обратно Комптъново разсейване и т.н., т.е. наблюдаваме много по-пълна картина.“
Активните ядра са интересни по много причини, казва ученият. Те са страшно масивни, имат силни магнитни полета, много висока скорост на материята около центровете. Това означава, че там има примери за екстремна физика – т.е. това е космическа лаборатория, която не може да се построи на Земята. Няма как да осигурим подобно гравитационно поле тук. Много явления в тези обекти могат да се наблюдават с подобни параметри само в Космоса. Това прави активните галактични ядра една от най-модерните теми в астрономията в момента, малко след екзопланетите и свръхновите.
Тези обекти са със сложен спектър: лъчението, получено от тях, има много различни компоненти. За да бъде изследвано подробно, то трябва да се наблюдава с много различни инструменти в различните електромагнитни диапазони. Затова за активните ядра се организират кампании, които обединяват данни от различни обсерватории.
„Българските астрономи допринасяме с наблюдения във и около оптичния диапазон – обяснява д-р Куртенков. – Казвам „около“, защото имаме инфрачервен филтър, който е близко до оптичния диапазон, както и ултравиолетов филтър. Данните, които получаваме, се комбинират с данни от радиодиапазона, с рентгенови телескопи, понякога и с телескопи в гама-лъчи.
В консорциума WEBT (Whole Earth Blazar Telescope) се включват астрономи от цял свят. Те събират такива данни, особено когато има събитие – примерно някой от по-известните блазари е повишил блясъка си.
„BL Lac е един от най-известните обекти в този клас и го следим отдавна – казва д-р Куртенков. – През 2020/2021 г. имаше покачвания на блясъка и това предизвика завишен интерес. Обектът достигна до 11-а звездна величина, което означава, че е около 100 пъти по-слаб от най-слабата звездичка, която може да се види с просто око. За обикновен човек това звучи като нещо много слабо. Но за обект, който е на около 900 милиона светлинни години от нас, е доста ярко. Спрямо обичайния блясък това е повишение с над 20 пъти. С телескопите на Рожен събрахме данни, с които участвахме в тази кампания. Международният екип от учени успя да анализира данните и да открие квазипериодични осцилации. Това означава, че в хаотичната променливост на блясъка са открити периодичности. Периодичността сочи към някакъв физичен процес, чиито параметри могат да бъдат изследвани. По принцип такива промени се засичат при активни ядра за периоди от години. Рядко се случват за периоди от дни, но в случая бяха открити тъкмо такива периодични променливости – някои от тях с периоди от 13 часа, което е изключително малко за тези обекти.
Как нещо, което свети колкото цяла галактика, си променя блясъка само за 13 часа!? Това предполага много бурен процес. При анализа екипът асоциира откритите периодичности с нестабилности, създадени от геометрични извивки по джета. Подобни структури по джета са наблюдавани на около 5 парсека от черната дупка – това са само 16 светлинни години. Такава извивка е регистрирана със системата от радиотелескопи VLBA. Това са основните резултати от изследванията на международния екип, публикувани в сп. Nature.“