Астрофизики представили способ раздельного определения параметров магнитного поля и плазмы в струях активных галактик

Ученые МФТИ, ФИАН и ИЯИ РАН совместно с коллегами из Германии разработали метод, позволяющий по одним радионаблюдениям раздельно определять напряженность магнитного поля и плотность плазмы в релятивистских струях активных ядер галактик.

Активные ядра галактик — это центральные области далеких галактик, в которых сверхмассивная черная дыра массой в миллионы и миллиарды солнц втягивает окружающее вещество. Часть его не падает внутрь, а выбрасывается наружу двумя узкими струями — джетами, разогнанными почти до скорости света.

Чтобы понять механизм запуска джета, ученым нужно знать две вещи: насколько сильно магнитное поле внутри струи и насколько плотна светящаяся плазма, а также как соотносятся их энергии. Для этого анализируют радиосвечение струи — синхротронное излучение, которое испускают быстрые электроны, закрученные магнитным полем. Проблема в том, что светится лишь часть плазмы — самые быстрые частицы. Поэтому скорость убывания поля и плотности вдоль струи приходится во многом оценивать на основании теоретических расчетов.

Авторы разработали метод, который обходит это ограничение. В его основе — радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой: сигналы радиотелескопов, разнесенных по всей Земле, объединяют так, будто это единый инструмент размером с планету. У «ядра» струи измеряют видимый угловой размер и яркостную температуру на разных частотах — от 2 до 230 ГГц. Чем выше частота, тем ближе к черной дыре удается заглянуть.

Астрофизики в своей модели учли изменение доплер-фактора вдоль струи. Эта величина показывает, как движение плазмы почти со скоростью света искажает наблюдаемое излучение. В новой модели плазма продолжает разгоняться, а все ее поведение описывается единственным параметром со значением от 0 до 1. В итоге поле и плотность выражаются через два измеряемых наклона: как быстро уменьшается размер ядра с ростом частоты и как при этом меняется его яркостная температура.

Главное отличие нового подхода в том, что он не закладывает заранее никакой связи между магнитным полем и плотностью плазмы. Равнораспределение из скрытого допущения превращается в экспериментально проверяемое предсказание модели.

«Прежде, чтобы по радионаблюдениям оценить магнитное поле и плотность плазмы, приходилось заранее предполагать, что их энергии равны. Мы показали, что без этого можно обойтись: размер ядра и его яркостная температура на разных частотах уже несут достаточно информации, чтобы найти поле и плазму по отдельности — и проверить само равнораспределение. Для нашей выборки оно, судя по всему, соблюдается не везде», — рассказала один из авторов исследования, заведующая лабораторией фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ Елена Нохрина.

«Мы предлагаем измерять у ядра сразу три величины: размер, яркостную температуру и положение на разных частотах. Такой полный набор данных позволяет восстановить, как вдоль струи меняются поле, плотность плазмы и ее форма, и дотянуться оценками почти до горизонта черной дыры», — добавила еще один автор статьи, младший научный сотрудник лаборатории фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ Валерия Фролова.

Метод проверили на свежих данных коллаборации «Телескоп горизонта событий» (Event Horizon Telescope). Оказалось, что магнитное поле убывает с ростом ширины струи заметно быстрее, чем допускает сохранение магнитного потока. Магнитный поток теряется. Значит, считают ученые, либо он физически рассеивается, например, из-за развивающихся неустойчивостей и пересоединения силовых линий, либо самая яркая часть струи смещается в области со все более слабым полем. Плотность излучающей плазмы, наоборот, падает необычно медленно. Это указывает на непрерывную подпитку: холодные частицы вдоль струи разогреваются и разгоняются до ультрарелятивистских энергий, пополняя число светящихся.

На следующем этапе исследователи планируют провести подобные измерения не для смешанной выборки, а для отдельных источников: это уберет искажения, связанные с усреднением разных объектов, считают ученые.

Исследование выполнено при поддержке Минобрнауки России.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации