Телескоп Event Horizon позволяет детально изучать ускоряющиеся струи из черных дыр

Впечатление художника от активного ядра галактики. Автор: Juan Carlos Algaba

Команда исследовала ускорение и намагничивание струй, сравнивая результаты, полученные на разных частотах и угловых масштабах. Работу возглавили ученые из MPIfR в Бонне, Германия, и IAA-CSIC в Гранаде, Испания, и теперь она опубликованав Astronomy & Astrophysics.

Чтобы оценить точность понимания эволюции струй в центрах активных галактик со сверхмассивными черными дырами, международная исследовательская группа под руководством Яна Редера (MPIfR и IAA-CSIC) сравнила наблюдения, сделанные с помощью Event Horizon Telescope, с предыдущими исследованиями с использованием Very Long Baseline Array и Global Millimeter VLBI Array, которые исследуют гораздо большие пространственные масштабы.

Из этого сравнения они могли бы сделать вывод о том, как струи развиваются от своего происхождения вблизи черной дыры до многих световых лет в межзвездном пространстве. Интенсивность излучения, испускаемого из заданной области на небе, измеряемая как яркостная температура, обычно увеличивается по мере того, как испускающая струйная плазма удаляется от черной дыры.

«Наши результаты бросают вызов давним предположениям о том, как ведут себя струи», — говорит Рёдер. «Проанализировав выборку из шестнадцати активных ядер галактик, мы смогли уменьшить влияние индивидуальных особенностей и получить более широкую картину поведения струй».

В наиболее распространенной модели предполагается, что струи имеют коническую форму, содержат плазму, движущуюся с постоянной скоростью, в то время как напряженность магнитного поля и плотность плазмы струи уменьшаются с увеличением расстояния от центрального двигателя. На основе этих предположений можно делать прогнозы о наблюдаемых свойствах струй.

«Эта базовая модель не может быть идеальным описанием для всех струй — скорее всего, только для небольшой их части. Динамика и субструктура струй сложны, и результаты наблюдений могут сильно страдать от астрофизических вырождений», — продолжает Рёдер.

«Например, мы знаем, что многие струи кажутся ускоряющимися. Либо сама плазма ускоряется, либо это может быть эффектом геометрии: если струя изгибается, она может указывать на нас более прямо, создавая впечатление более быстрого движения».

«Используя выборку из шестнадцати активных ядер галактик, мы смогли получить более широкую картину поведения струй, по сравнению с простым изучением отдельных источников. Таким образом, результаты менее подвержены влиянию их соответствующих уникальных свойств», — говорит соруководитель проекта Мачек Вельгус из IAA-CSIC. «Мы заметили, что яркость струй обычно увеличивается с увеличением расстояния от черной дыры, что убедительно свидетельствует об ускорении».

Схематическое изображение активного галактического ядра (AGN). Из черной дыры и ее аккреционного диска релятивистская струя запускается в параболической геометрии, позже переходя в коническую форму. Автор: Jan Röder/Maciek Wielgus

Эдуардо Рос, также из MPIfR и европейский планировщик Глобальной миллиметровой РСДБ-решетки, подчеркивает важность наблюдений в промежуточном масштабе: «Глобальная миллиметровая РСДБ-решетка, работающая на длине волны 3,5 мм, предоставляет ключевую информацию между наивысшими разрешениями, достигаемыми EHT, и более общей картиной струй, предоставляемой Очень длинной базовой решеткой. Это было очевидно в случае M87, как было представлено РуСеном Лу и его коллегами в апреле 2023 года».

Активные галактические ядра, яркие сердца некоторых галактик, питаются сверхмассивными черными дырами. Мощные плазменные струи вырываются из некоторых из этих объектов, простираясь на многие тысячи световых лет в межгалактическое пространство. Чтобы понять сложную физику этого явления, необходимы наблюдения с экстремальным угловым разрешением, позволяющие астрономам заглянуть в область, близкую к источнику струи.

Телескоп горизонта событий (EHT) — это массив радиотелескопов, разбросанных по всему миру, которые работают вместе, чтобы сформировать виртуальный телескоп размером с Землю, который обеспечивает разрешение, необходимое для изучения черных дыр и их струй. EHT управляется международным сотрудничеством сотен ученых и предоставил первые в истории изображения сверхмассивных черных дыр в центрах Млечного Пути (Стрелец A*) и M87. Наряду с этими основными целями EHT наблюдал ряд активных галактических ядер во время своей кампании 2017 года.

Чтобы оценить, насколько точным — или неточным — является понимание эволюции струй, исследователи сравнили результаты EHT с предыдущими наблюдениями тех же источников. Они были выполнены с помощью Very Long Baseline Array и Global Millimeter VLBI Array, исследуя гораздо большие пространственные масштабы, чем EHT.

Из этого сравнения стало возможным сделать вывод об эволюции струй от близкого к их истокам, до многих световых лет в межзвездном пространстве. Мощность излучения на телесный угол, полученная от данного источника, измеренная по яркостной температуре, постепенно увеличивается по мере того, как излучающая струйная плазма все дальше и дальше удаляется от черной дыры.

Хотя существуют альтернативные объяснения этих новых наблюдений, такие как отклонение от конической геометрии, базовая теоретическая модель явно не может полностью воспроизвести свойства струй вблизи их источника.

«Необходимы дополнительные исследования, чтобы полностью понять механизм ускорения, поток энергии, роль магнитных полей в струях активных галактических ядер и их геометрию. Расширяющийся массив EHT сыграет важную роль в будущих открытиях этих захватывающих объектов», — говорит Рёдер.

Дж. Антон Зенсус, директор MPIfR и основатель и председатель коллаборации EHT, заключает: «Эти результаты основаны на текущей работе EHT и подтверждены исследованиями Global Millimeter VLBI Array. Они демонстрируют важность глобального партнерства, передовых технологий и постоянных исследований для научного прогресса.

«С новыми телескопами и сетями следующего поколения мы продолжим углублять наше понимание этих захватывающих космических явлений».

Больше информации: Jan Röder et al, A multifrequency study of sub-parsec jets with the Event Horizon Telescope, Astronomy & Astrophysics (2025). DOI: 10.1051/0004-6361/202452600

Источник: Max Planck Society