Учёные нашли в нашей галактике объект, который тридцать лет искали: система IRAS 18293−0941 разгоняет вещество до 0,75 скорости света и работает как ускоритель частиц мощнее БАК в сто раз.
Тридцать лет астрономы прочёсывали Млечный Путь в поисках микроблазара — миниатюрной версии ослепительных блазаров из далёких галактик. И вот сенсация: объект всё это время прятался прямо перед носом. Система IRAS 18293−0941, засветившаяся в каталогах ещё в 1983 году, оказалась именно тем, что искали. Чёрная дыра в 12 000 световых лет от нас разгоняет вещество почти до 0,75 скорости света и стреляет джетом прямо в сторону Земли.
Но это только начало. Внутри системы работает природный ускоритель частиц мощнее Большого адронного коллайдера в сотню раз. А параллельно физики-теоретики рассуждают о первичных чёрных дырах, которые могут оказаться окнами в дополнительные измерения. Похоже, космос решил выдать нам сразу несколько загадок в одной упаковке.
Первый микроблазар Млечного Пути: 30 лет поисков и находка на виду
Тридцать лет. Именно столько астрономы гонялись за микроблазаром в Млечном Пути — «уменьшенной версией» блазаров, тех самых сверхъярких ядер далёких галактик, чей джет смотрит прямо на наблюдателя. И вот ирония: объект всё это время торчал прямо перед носом. Система IRAS 18293−0941, впервые засветившаяся в каталогах ещё в 1983 году благодаря инфракрасному спутнику IRAS, оказалась тем самым неуловимым зверем. Тридцать лет поисков — и находка на виду.
Подтвердила открытие международная команда из Университета Хаэна. Инструмент — не абы что, а самая чувствительная в мире сеть радиотелескопов European VLBI Network. Именно она позволила разглядеть то, что десятилетиями пряталось за плотной завесой межзвёздной пыли. В обычных оптических снимках эту систему и вовсе не видно — свет поглощается почти полностью.
Что представляет собой система
Внутри IRAS 18293−0941 работает связка из чёрной дыры массой порядка десяти солнечных и массивной звезды-компаньона — голубого гиганта или сверхгиганта спектрального класса O/B. Вещество звезды перетягивается на компактный объект, закручиваясь в аккреционный диск. Расстояние до всей этой кухни — около 12 000 световых лет, или 3,6 килопарсека. Расположена система в созвездии Щита. И да, это первый подтверждённый микроблазар в нашей галактике.
Долгое время объект числился в списках разве что как возможная массивная рентгеновская двойная. Никакого особого внимания. Пыль скрывала всё настолько надёжно, что о системе попросту забыли. Пока не случилась крошечная подсказка.
Мерцание, которое всё изменило
Астрономы заметили, что свет звезды системы периодически мерцает. Это мерцание выдало 11,4-дневную орбиту чёрной дыры-компаньона. Дальше — больше: радионаблюдения вскрыли односторонний джет, а расчёты показали, что мы смотрим на систему почти плашмя. Так забытый каталог 1983 года превратился в главную астрофизическую сенсацию.
Хосеп Марти из Университета Хаэна, возглавивший исследование, сформулировал это без обиняков: «Всё в IRAS 18293−0941 пряталось на виду. Он находится за таким количеством пыли, что практически невидим на обычных оптических изображениях. Его каталогизировали десятилетия назад, а затем более или менее забыли». Простая истина: иногда самое громкое открытие — это то, что годами лежало под носом.
Физика джетов: релятивистский эффект Доплера и асимметрия
Внутри системы IRAS 18293−0941 работает настоящая космическая мясорубка. Чёрная дыра вытягивает вещество со своей массивной соседки, и это вещество не просто падает в бездну — оно закручивается в аккреционный диск. Раскалённый, бешеный, он крутится вокруг горизонта событий, а мощные магнитные поля подхватывают часть материи и выбрасывают её прочь двумя противоположно направленными джетами.
Один из этих потоков смотрит почти точно на Землю. И вещество в нём летит со скоростью около 0,75 скорости света. Не «быстро». Не «очень быстро». Три четверти от предела, выше которого во Вселенной двигаться попросту нельзя. Такое ощущение, что чёрная дыра решила поиграть в снайпера, а мы оказались мишенью.
Почему виден только один джет
Логичный вопрос: если джетов два, почему астрономы видят только один? Ответ кроется в релятивистском эффекте Доплера. Когда источник излучения несётся к наблюдателю на субсветовой скорости, его свет многократно усиливается — эффект называют релятивистским усилением. Джет, летящий на нас, вспыхивает ярко, а его собрат, уносящийся в противоположную сторону, остаётся практически невидимым.
Именно этот механизм делает блазары самыми яркими объектами Вселенной. Микроблазар устроен по той же схеме, только вместо сверхмассивного монстра в центре сидит чёрная дыра звёздной массы. Та же физика, меньший масштаб, тот же ослепительный результат.
Два независимых доказательства
Само по себе наличие одностороннего радиоджета ещё ничего не доказывает. Такая картина могла бы принадлежать далёкой галактике, случайно спроецировавшейся в том же направлении. Астрономы это понимали, поэтому искали подтверждение сразу двумя методами.
Сверхточные снимки, полученные объединённой сетью радиотелескопов European VLBI Network, наложили на астрометрические данные спутника Gaia Европейского космического агентства. Позиции радиоисточника и звезды совпали. Именно этот момент Бенито Маркоте из Объединённого института ERIC JIVE в Нидерландах называет переломным: «Односторонний радиоджет сам по себе мог бы принадлежать далёкой галактике, случайно спроецировавшейся в том же направлении. Разрешение EVN совместно с наблюдением звезды от Gaia подтвердило: джет принадлежит звёздной системе». После этого сомнений не осталось — мы смотрим на объект внутри Млечного Пути, а не на чужую галактику за миллиарды световых лет.
Геометрия, которая всё объясняет
Дополнительные оптические наблюдения добавили ясности. Компоненты системы обращаются друг вокруг друга примерно за 11,38 дня. А вариации блеска выдают любопытную деталь: телескопы смотрят на орбитальную плоскость почти плашмя, под углом не более примерно 30 градусов. Малая амплитуда изменений блеска и полное отсутствие затмений только подтверждают эту картину.
Если джеты бьют перпендикулярно орбитальной плоскости, один из них неизбежно оказывается направлен почти точно на нас. Что мы и наблюдаем. Осталось дождаться новых данных — и, возможно, тогда физика джетов перестанет быть набором красивых теорий и превратится в подробную инструкцию по устройству космических ускорителей.
Второй джет, гигантский пузырь и ускоритель частиц
Пока один джет несётся к Земле, второй уносится прочь — и творит вещи не менее впечатляющие. Южноафриканский радиотелескоп MeerKAT разглядел, что этот поток пробил в межзвёздном газе гигантский пузырь протяжённостью около 100 световых лет. Сто световых лет. Для сравнения: ближайшая к нам звезда — в четырёх. Этот джет вырезал в космосе полость размером с добрую часть рукава Млечного Пути.
В дальней части пузыря поток врезается в плотное газопылевое облако. И вот здесь начинается самое интересное. Джеты резко асимметричны: западный, отдаляющийся от нас, упирается в компактное радио-пятно, которое совпадает с инфракрасным излучением и водородной туманностью. Это головная ударная волна — место, где релятивистский поток врезается в плотное молекулярное облако. Восточный джет, тот, что летит к нам, расширяется в размытую область без оптического свечения. Среда там менее плотная, поэтому и картина другая.
Природный ускоритель частиц
В предполагаемом месте столкновения джета с молекулярным облаком обнаружен компактный радиоисточник с нетепловым спектром. Там же фиксируется излучение ионизованного газа и нагретой пыли. Такое сочетание характерно для ударной волны, возникающей при взаимодействии быстрого потока вещества с плотным межзвёздным газом. И именно такие столкновения считаются естественными ускорителями частиц.
Ударные волны и турбулентные магнитные поля в зоне контакта джета с облаком разгоняют заряженные частицы до энергий, в миллионы раз превышающих возможности земных ускорителей. Обнаруженный микроблазар — это ускоритель частиц, который примерно в 100 раз мощнее Большого адронного коллайдера. Частицы здесь приобретают энергию порядка петаэлектронвольт. Для тех, кто не в курсе: БАК разгоняет протоны до 6,5 тераэлектронвольт. Петаэлектронвольт — это в тысячу раз больше. Природа играет в свои игры без всяких бюджетов на 10 миллиардов долларов.
Лаборатория под боком
Всё это делает IRAS 18293−0941 природной лабораторией для изучения происхождения высокоэнергетических космических лучей — частиц, чей источник остаётся одной из главных загадок астрофизики. В одной системе теперь можно наблюдать сразу три стадии процесса: запуск джета чёрной дырой, гигантскую полость, вырезанную этим джетом в межзвёздной среде, и предполагаемое место столкновения, где частицы набирают энергию.
А поскольку объект находится внутри Млечного Пути, изучать эти механизмы можно с разрешением, недостижимым для далёких блазаров. Авторы уже планируют новые наблюдения джета и зоны столкновения, чтобы проследить, как именно энергия от джета передаётся межзвёздному газу и рождаются ли в этом процессе гамма-кванты, ранее зафиксированные поблизости.
Трёхцветная композиция взаимодействия джетов с межзвёздной средой выглядит как космический абстракционизм: красный — излучение пыли (телескоп Herschel); зелёный — свечение ионизированного водорода Hα, возникающее при прохождении ударной волны; синий — нетепловое радиоизлучение с MeerKAT. Красиво, информативно и жутко. Именно так выглядит космос, когда кто-то очень маленький (по вселенским меркам) направляет поток плазмы в облако газа и превращает его в ускоритель элементарных частиц.
Тёмные измерения и пятимерные первичные чёрные дыры
Пока одни астрономы гоняются за микроблазарами, физики-теоретики копают куда глубже. Все мы заперты в трёх привычных пространственных и одном временном измерении. Но это вовсе не означает, что гравитация не может проникать в другие измерения, если они существуют. И, возможно, у нас появится шанс заглянуть в эти измерения через своеобразные окна — первичные чёрные дыры.
Что такое первичные чёрные дыры
Первичные чёрные дыры — это относительно небольшие, но невероятно плотные объекты. Предполагается, что они образовались в экстремальных условиях вскоре после Большого взрыва. Согласно новому исследованию под руководством физика Луиса Анчордоки из колледжа Леман в США, во Вселенной с тёмным измерением все первичные чёрные дыры должны быть пятимерными — если только на низких энергиях не существует какой-то экзотической, пока неизвестной физики.
Пока эта идея остаётся гипотетической. Ни одна первичная чёрная дыра пока не была достоверно обнаружена. Однако они вызывают большой интерес у физиков — слишком уж заманчиво звучит возможность проверить теории о дополнительных измерениях на реальных объектах.
Как работает сценарий тёмного измерения
Сценарий тёмного измерения предполагает существование дополнительного измерения, компактного до масштаба примерно одного микрона. Частицы обычной материи заперты на бране и не могут покинуть её. Но на гравитацию те же ограничения могут не распространяться — она способна просачиваться в дополнительные пространственные направления.
Если размер горизонта событий становится мал по сравнению с масштабом тёмного измерения, гравитация чёрной дыры может распространяться в этом дополнительном пространственном направлении. И тогда такая чёрная дыра уже не ограничена четырьмя измерениями: её геометрия становится пятимерной. Первичные чёрные дыры превращаются в своего рода окна в скрытые слои реальности, которые иначе нам попросту не увидеть.
Осталось дождаться, когда одну из них наконец поймают. Тогда, возможно, физикам придётся переписать учебники. Или хотя бы добавить в них пару глав про измерения, которых мы пока не замечаем.
Космос снова напомнил, что мы знаем о нём меньше, чем хотелось бы. Микроблазар IRAS 18293−0941 тридцать лет прятался за пылью, а теперь оказался ключом к разгадке происхождения космических лучей. Что ещё скрывается в этом пыльном облаке — покажет время. Будем следить за новыми наблюдениями и обязательно расскажем, если астрономы накопают что-то ещё.