Мощный выброс M87 вызывает редкий выброс гамма-излучения

Кривая блеска гамма-вспышки (внизу) и коллекция квазимоделированных изображений реактивного самолета M87 (вверху) в различных масштабах, полученных с помощью радио- и рентгенографии в ходе кампании 2018 года. Прибор, диапазон измерения длины волны и масштаб показаны в верхнем левом углу каждого изображения. Автор: EHT Collaboration, Fermi-LAT Collaboration, H.E.S.S. Collaboration, MAGIC Collaboration, VERITAS Collaboration, EAVN Collaboration.

Также известная как Дева A или NGC 4486, M87 является самым ярким объектом в скоплении галактик Дева, крупнейшем гравитационно связанном типе структур во Вселенной. Она получила известность в апреле 2019 года после того, как ученые из EHT опубликовали первое изображение черной дыры в ее центре.

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

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

«Нам посчастливилось обнаружить вспышку гамма-излучения от M87 во время многоволновой кампании этого телескопа Event Horizon», - говорит Джакомо Принсипи, один из координаторов работы, исследователь из Университета Триеста, связанный с INAF и INFN.

"Это первая вспышка гамма-излучения, наблюдаемая в этом источнике более чем за десять лет, что позволяет нам точно ограничить размер области, ответственной за наблюдаемое гамма-излучение. Наблюдения — как недавние с использованием более чувствительной спектроскопии EHT, так и запланированные на ближайшие годы — дадут бесценную информацию и исключительную возможность изучить физику, окружающую сверхмассивную черную дыру M87.

"Эти усилия обещают пролить свет на связь диска и струи и раскрыть происхождение и механизмы, лежащие в основе излучения гамма-квантов".

Релятивистская струя, исследованная исследователями, поражает своей протяженностью, достигая размеров, которые превышают горизонт событий черной дыры в десятки миллионов раз (на семь порядков) — сродни разнице между размерами бактерии и самого крупного из известных синих китов.

Яркая вспышка, которая длилась около трех дней и предполагает наличие области излучения размером менее трех световых дней (~170 а.е., где 1 астрономическая единица соответствует расстоянию от Солнца до Земли), выявила яркий всплеск высокоэнергетического излучения, значительно превышающий энергии, обычно регистрируемые с помощью радио телескопы из области черных дыр.

"Активность этой сверхмассивной черной дыры крайне непредсказуема — трудно предсказать, когда произойдет вспышка. Контрастные данные, полученные в 2017 и 2018 годах, отражающие ее спокойную и активную фазы соответственно, дают важную информацию о цикле активности этой загадочной черной дыры", - говорит Казухиро Хада из Университета города Нагоя, который руководил радионаблюдениями и анализом в рамках многоволновой кампании.

"Продолжительность вспышки примерно соответствует размеру области излучения. Быстрая изменчивость гамма-излучения указывает на то, что область вспышки чрезвычайно мала, всего лишь примерно в 10 раз больше центральной черной дыры", - объясняет Дэниел Мазин из Института исследований космических лучей Токийского университета, член команды MAGIC telescope, которая обнаружила вспышку гамма-излучения.

"Интересно, что резкая изменчивость, наблюдаемая в гамма-лучах, не была обнаружена на других длинах волн. Это говорит о том, что область вспышки имеет сложную структуру и демонстрирует различные характеристики в зависимости от длины волны".

Обсерватории и телескопы, участвовавшие в многополосной кампании 2018 года по обнаружению высокоэнергетической гамма-вспышки от черной дыры M87*. Автор: Сотрудничество EHT, сотрудничество Fermi-LAT, сотрудничество H.E.S.S., сотрудничество MAGIC, сотрудничество VERITAS, сотрудничество EAVN

Во второй кампании EHT и multi-wavelength в 2018 году было задействовано более двух десятков высококлассных объектов для наблюдений, включая телескопы НАСА Fermi-LAT, HST, NuSTAR, Chandra и Swift, а также три крупнейших в мире массива атмосферных телескопов Черенкова (H.E.S.S., MAGIC и VERITAS)..

Эти обсерватории чувствительны к рентгеновским фотонам, а также к высокоэнергетическим и очень высокоэнергетическим гамма-лучам, соответственно. В ходе кампании прибор LAT, установленный на борту космической обсерватории Ферми, обнаружил увеличение потока высокоэнергетического гамма-излучения, энергия которого в миллиарды раз превышает энергию видимого света.

Затем Chandra и NuSTAR собрали высококачественные данные в рентгеновском диапазоне. Радионаблюдения Восточноазиатской сети VLBI (EAVN) показывают очевидное ежегодное изменение угла расположения струи в пределах нескольких микросекунд дуги от ядра галактики.

"Объединив информацию об изменении направления струи, распределении яркости кольца, наблюдаемого с помощью EHT, и активности гамма-излучения, мы можем лучше понять механизмы, лежащие в основе образования излучения очень высокой энергии", - говорит Мотоки Кино из Университета Когакуин, координатор исследования. Наблюдения EAVN во время кампании.

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

Исследователь объясняет: "На первом изображении, полученном в ходе наблюдательной кампании 2018 года, было видно, что излучение вдоль кольца не было однородным, что приводило к асимметрии (т.е. к появлению более ярких областей). Последующие наблюдения, проведенные в 2018 году и связанные с этой статьей, подтвердили данные, подчеркнув, что угол расположения асимметрии изменился".

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

"Вспышка в 2018 году продемонстрировала особенно сильное осветление в гамма-лучах. Вполне возможно, что частицы сверхвысоких энергий подверглись дополнительному ускорению в пределах той же области излучения, которая наблюдалась в спокойных состояниях, или что новое ускорение произошло в другой области излучения", - говорит Томохиса Кавасима из Института исследований космических лучей, который провел моделирование с помощью суперкомпьютера, установленного в Национальной астрономической обсерватории Сша. Япония.

"Как и где частицы ускоряются в струях сверхмассивных черных дыр, остается давней загадкой. Впервые мы можем объединить прямое изображение областей вблизи горизонта событий во время гамма-вспышек, вызванных ускорением 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.

Дополнительная информация: J.C. Алгаба и др., Широкополосные многоволновые свойства M87 во время кампании EHT 2018, включая эпизод вспышки с очень высокой энергией, Астрономия и астрофизика (2024). ДОИ: 10.1051/0004-6361/202450497

Источник: Nagoya City University