Космический хамелеон: сложное поведение блазара BL Lacertae избегает установленной классификации

Блазар BL Lacertae — активная галактика, испускающая из своего ядра струю плазмы, направленную в сторону Земли (художественное изображение). Автор: NASA/JPL-Caltech

Блазары — это активные галактики, которые выбрасывают из своих центров узкие струи ионизированного вещества, направленные в сторону Земли. В зависимости от свойств электромагнитного излучения, испускаемого струями, астрономы делят такие объекты на разные, четко определенные классы. Однако с блазаром BL Lacertae, расположенным на заднем плане созвездия Ящерицы, все оказывается не так просто.

Далекий космос снова удивил исследователей. До сих пор казалось, что блазары — активные галактики, испускающие струи материи в нашу сторону — можно разделить на довольно четкие группы в соответствии с генерируемым ими электромагнитным излучением. Эта доселе ясная ситуация только что стала очень сложной.

В журнале Astronomy & Astrophysics польско-немецкая группа ученых из Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове и Гейдельбергского университета (HU)сообщает о недавних наблюдениях блазара, который по неизвестным причинам не подпадает под текущую классификацию.

Объект, ныне известный как BL Lacertae, был обнаружен в 1929 году на фоне созвездия Ящерицы. Первоначально астрономы считали его одной из многих переменных звезд в нашей галактике. Однако более поздние наблюдения привели к удивительному открытию: то, что выглядело как звезда, на самом деле находилось на расстоянии в 900 миллионов световых лет от нас, так что это определенно не могло быть звездой.

Из сотен миллиардов галактик, видимых в пределах наблюдаемой Вселенной, некоторые являются активными галактиками. Это галактики, ядра которых испускают большое количество электромагнитного излучения, предположительно в результате сложных процессов, происходящих при падении материи в центральную сверхмассивную черную дыру.

В некоторых галактиках узкие струи ионизированной материи, выбрасываемые из окрестностей полюсов черной дыры на гигантские расстояния, в крайних случаях даже превышающие миллион световых лет, являются впечатляющим признаком активности. Если струя движется к Земле, астрономы называют галактику, ее производящую, блазаром. BL Lacertae оказался именно таким объектом.

Долгосрочная (2005–2023 гг.) рентгеновская кривая блеска BL Lacertae в диапазоне энергий 0,3–10 кэВ, включая все наблюдения Swift/XRT BL Lacertae. Заштрихованная область обозначает наблюдения за 2020–2023 гг. Цветные вертикальные линии обозначают наблюдения NuSTAR за BL Lacertae, как обсуждалось в разд. 6. Автор: Astronomy & Astrophysics (2024). DOI: 10.1051/0004-6361/202451349

«Блазары интересны по многим причинам, не в последнюю очередь потому, что ориентация струй и огромные скорости их частиц, близкие к скорости света, приводят к различным эффектам, описываемым теорией относительности. Излучение блазаров наблюдается на различных длинах волн электромагнитного излучения, от радиоволн до гамма-лучей очень высокой энергии», — объясняет доктор Алиция Вежхольска (IFJ PAN).

«Мы сосредоточились на анализе энергии электромагнитного излучения, испускаемого одним из самых ранних обнаруженных блазаров: BL Lacertae. Почему мы сосредоточились именно на нем? Из-за его активности в последние годы и некоторых интересных особенностей испускаемого им излучения, которые мы уже заметили во время предыдущих сеансов наблюдений».

Представленные наблюдения проводились в 2020–2023 годах. Они проводились на орбите вокруг Земли с помощью приборов американского спутника обсерватории Нила Герелса «Свифт»; лишь в жестком рентгеновском диапазоне они были дополнены данными космического телескопа NuSTAR.

Помимо рентгеновского диапазона, который представлял наибольший интерес для польско-немецких исследователей, были зарегистрированы также оптическая и ультрафиолетовая области спектра. Это связано с тем, что электромагнитное излучение, создаваемое блазарами, простирается от радиодиапазона через оптическую, ультрафиолетовую и рентгеновскую области до гамма-излучения самых высоких энергий.

Блазары подразделяются на радиоквазары с плоским спектром и объекты BL Lacertae (BL Lacs), которые характеризуются более слабыми линиями излучения и чье название происходит именно от блазара BL Lacertae. Внутри BL Lacs возможно дальнейшее деление. Действительно, диаграммы, показывающие весь энергетический спектр блазаров, напоминают вулканические конусы: они имеют два пика, разделенных дугообразной впадиной.

Если спектральный «вулкан» смещен в сторону высоких энергий, то объект BL Lacertae классифицируется как HBL (High-frequency peaked BL Lac), если в сторону низких энергий — как LBL (Low-frequency peaked BL Lac), а объекты с промежуточным смещением называются IBL (Intermediate BL Lacs).

«Объекты BL Lacertae совершенно однозначно поддаются отнесению к определенному типу. Блазар BL Lacertae до сих пор считался представителем промежуточного класса, IBL. Поэтому мы с немалой долей удивления заметили, что в рентгеновском диапазоне он на некоторых фазах периода наблюдения выглядел как HBL, на других — как LBL, а в других случаях «вежливо» производил впечатление объекта типа IBL. Как будто этого было недостаточно, подобные изменения происходили очень быстро. Это необычное поведение, физическую основу которого мы пока не можем объяснить», — говорит доктор Вежхольска и подчеркивает, что сюрпризов было больше: зарегистрированная рентгеновская активность блазара оказалась рекордной за всю историю его наблюдений.

В настоящее время предполагается, что отдельные физические явления, включающие различные популяции частиц в джете, ответственны за существование двух пиков в спектрах блазаров. Многие астрофизики согласны с предположением, что низкоэнергетический пик связан с электронами и синхротронным излучением, которое они испускают.

По поводу второго пика единого мнения нет. Возможно, он также является следствием поведения электронов. Например, их столкновений с низкоэнергетическими фотонами, что приводит к увеличению энергии фотонов (это известно как обратное комптоновское рассеяние).

Однако были выдвинуты и другие гипотезы, например, связанные с адронами (т. е. кластерами кварков, такими как протоны или нейтроны). Но для того, чтобы объяснить поведение блазара BL Lacertae, необходимо указать на нечто большее: не только на физические процессы, ответственные за формирование двух пиков, но, прежде всего, на механизм, ответственный за их быстрое переключение. Можно рискнуть сказать, что прежде чем это произойдет, многие астрофизики-теоретики проведут немало бессонных ночей.

Больше информации: Alicja Wierzcholska et al, Exceptional X-ray activity in BL Lacertae, Astronomy & Astrophysics (2024). DOI: 10.1051/0004-6361/202451349

Источник: Polish Academy of Sciences