Десять лет гамма-телескопу «Ферми». Часть 2. Блазары

Во второй статье, посвященной юбилею проекта «Ферми», основное внимание мы уделим самым ярким из долговечных объектов во Вселенной — блазарам разного типа. В данной статье приводятся рисунки, отображающие данные «Ферми» за 10 лет без пяти дней. Они обработаны автором, последние данные (по 30 июля 2018 года) помог скачать Григорий Рубцов (ИЯИ РАН). Нескольких дней вполне достаточно, чтобы нарисовать простейшие предварительные распределения, иллюстрирующие феноменологию блазаров. Публикации же в научных реферируемых журналах, основанные на юбилейном наборе данных, появятся минимум через несколько месяцев.

Что такое блазар

Грубая схема активного галактического ядра изображена на рис. 1. Тяготеющий центр, аккреционный диск и джеты. Эта схема распространена по всей Вселенной в разных масштабах: протопланетные диски, нейтронные звезды и черные дыры в двойных системах (микроквазары), недра звезд при коллапсе (гамма-всплески).

Механизм тоже одинаков: аккреционный диск почти обязательно образуется при стягивании вещества к тяготеющему центру. Если частицы неупруго взаимодействуют друг с другом и имеют какой-то суммарный момент инерции, им не остается ничего другого, кроме как собраться в диск. Межзвездная среда, стягиваясь в диск, увлекает с собой магнитное поле.

Поле и вещество прочно связаны между собой (поле «вморожено» в вещество) из-за огромной проводимости космической плазмы, которая проявляется благодаря огромным размерам «проводника» и, соответственно, гигантской магнитной индукции. В некотором смысле межзвездную среду можно назвать сверхпроводящей.

Магнитное поле со своей энергией не может исчезнуть в космосе, как в медной обмотке, перейдя в тепло. При этом веществу, прежде чем упасть в черную дыру или на формирующуюся звезду, надо как-то избавиться от магнитного поля, иначе оно своей упругостью будет сопротивляться гравитации. Есть два основных способа сделать это. Первый — пересоединение петель магнитного поля. Именно это происходит с турбулентным магнитным полем Солнца, в результате чего мы любуемся таким результатом солнечных вспышек, как полярное сияние. Второй путь избавиться от магнитного поля — выбросить его подальше вместе с вмороженной плазмой.

В активных галактических ядрах, судя по всему, работают оба механизма. Пересоединение магнитного поля, по всей вероятности, дает жесткое рентгеновское излучение — оно хоть и не изотропно, но светит в широкий телесный угол порядка 2π. А выбросить поле можно вдоль оси вращения диска в две противоположные стороны. Так и появляются джеты.

В принципе механизм запуска джета понятен, но только в принципе. При ряде упрощающих предположений запуск не только моделируется на суперкомпьютерах, но и описывается аналитически. Главное — вращать силовые линии магнитного поля. Это может делать вращающийся аккреционный диск, что, скорее всего, имеет место при рождении планетных систем. В активных галактических ядрах добавляется более экзотический механизм: эффект Блэндфорда — Знаека. Вращающаяся черная дыра крутит пространство вокруг себя. Если она погружена во внешнее магнитное поле, то она крутит поле вместе с пространством. Силовые линии закручиваются, как показано на схеме. Частицы плазмы скользят вдоль силовых линий поля, ускоряясь из-за эффекта пращи. Поле не жесткое: под нагрузкой ускоряемой плазмы оно загибается назад в спираль, а сам джет давлением закрученного поля ускоряется вперед до ультрарелятивистских скоростей. Это очень вульгарное объяснение на пальцах. Математика этого явления сложней, чем математика торнадо. Здесь еще играет роль внешняя среда, помогая коллимировать джет, т. е. превращать его в узкую струю. Как уже упоминалось в предыдущей статье, блазар — это активное галактическое ядро, джет которого направлен на нас.

Рекордсмен

Самый яркий блазар на небе — 3С 454.3. Он относится к типу FSRQ (Flat Spectrum Radio Quasar) — квазары большой мощности, направленные своим джетом на нас. Это действительно монстр! Во время вспышек он намного ярче любого другого источника гамма-квантов. Его аккреционный диск излучает 10⁴⁷ эрг/с — примерно в 10 тыс. раз больше, чем вся наша Галактика во всем диапазоне. Прямых измерений массы черной дыры 3С 454.4 нет, косвенные оценки указывают на порядок величины миллиард солнечных масс.

Красное смещение этого блазара — 0,859, что соответствует расстоянию 7,7 млрд световых лет. Для своего типа это довольно близкий объект. К тому времени яркие квазары стали потихоньку вымирать, «золотое время» квазаров — где-то между красным смещением 1 и 2 — больше 10 млрд лет назад.

На рис. 2 — кривая блеска 3С 454.3 за десять лет работы «Ферми». Поправка на неравномерность экспозиция сильно меняется за часы, но на больших промежутках времени довольно слабо.

Первое, что бросается в глаза, блазар — вспыхивающий источник (это относится не только к данному объекту). В паузах между эпизодами активности (интервал 1200–1600 дней) источник практически исчез. На глаз видны по меньшей мере три масштаба переменности: два-три года — периоды активности и затишья, один-два месяца — максимумы активности и дни — высокие узкие пики. Годы вполне можно объяснить нестабильностью режима аккреции. Месяцы — тоже скорее какими-то неустойчивостями в аккреционном диске. А с переменностью в дни, даже в день — время фронта нарастания самой яркой короткой вспышки — всё сложнее.

При массе черной дыры в миллиард солнечных, ее гравитационный радиус — 3 млрд км. Радиус последней внутренней стабильной орбиты аккреционного диска — 10 млрд км (8 световых часов), а время обращения по ней — несколько дней. Нестабильности аккреции вряд ли может давать переменность, быстрей, чем время обращения по кратчайшей орбите.

Скорее всего, дневная переменность связана с какими-то явлениями в джете — ударными волнами или пересоединением магнитного поля. В этом случае с быстрой переменностью всё в порядке благодаря релятивистскому сокращению времени: всё, что происходит в джете, сжимается по времени при переходе в систему наблюдателя в Г² раз, где Г — лоренц-фактор джета.

Внутри гигантского всплеска, возможно, тоже есть какая-то более быстрая переменность, но ее не так просто выявить из-за переменной экспозиции — поле зрения «Ферми» вращается, аппарат периодически попадает в Южно-Атлантическую магнитную аномалию, где фон столь велик, что детектор приходится выключать. Так возникает суточная модуляция результатов, осложняющая анализ переменности на самых коротких временах.

Тип переменности 3С 454.3, в общем, типичен для блазаров. Вице-чемпион по пиковой яркости 4С +21.38 (тоже монстр — FSQR со светимостью аккреционного диска 10⁴⁷ эрг/с) имеет аналогичную кривую блеска.

Блазары на голодном пайке

Перейдем к другому типу блазаров — BL Lac, или «лацертиды». Свое название они получили по имени своего исторически первого представителя, BL Lacerta. Если FSRQ — квазар в период бурного роста, то лацертиды, скорее всего, — успокоившиеся квазары, выевшие легкодоступное вещество и севшие на голодный паек. Их гораздо больше на единицу объема, чем FSRQ, по крайней мере в современной Вселенной, но видны они только с небольших красных смещений.

Ярчайшие из них — Маркарян-421 и Маркарян-501, обозначаемые ниже как Mrk 421 и Mrk 501. Они же — одни из самых близких блазаров. Кривая блеска одного из них показана на рис. 3. Объект тоже вспыхивает, но, в отличие от представленных выше ярчайших FSRQ, не гаснет до нуля. По данным «Ферми» нельзя увидеть переменность этих объектов короче дня — здесь к проблеме неравномерной экспозиции добавляется недостаточная статистика фотонов. Эта проблема решается с помощью черенковских телескопов. Это детекторы совсем другого типа — наземные телескопы, просматривающие небо на предмет вспышек черенковского света от атмосферных ливней частиц, вызванных гамма-квантом большой энергии. Их диапазон — от сотни ГэВ и выше (нижний порог постепенно снижается). У этих установок очень узкое поле зрения — надо наводить телескопы на объект наблюдения. Зато эффективная площадь у них на пять порядков больше, чем у «Ферми», и статистика гамма-квантов высоких энергий существенно выше.

По данным черенковских телескопов (MAGIC, HESS), кратчайший масштаб переменности данных блазаров — десятки минут. Это при том, что масса черных дыр этих блазаров того же порядка: 10⁹ солнечных масс, и переменность, связанная с аккрецией, не может быть короче нескольких дней. Значит, мы имеем дело с какими-то очень быстрыми процессами в ультрарелятивистском джете.

Однако главное отличие BL Lac’ов от мощных FSRQ — в спектрах гамма-квантов. У первых они гораздо жестче. На рис. 4 показаны спектры ярчайших представителей своих классов.

Спектры построены автором на скорую руку, с учетом зависимости эффективности детектора от энергии, но без учета энергетической зависимости углового разброса. Последний дает небольшое занижение точек при энергиях в районе и ниже 1 ГэВ. По горизонтали — десятичный логарифм энергии, по вертикали — логарифм числа частиц в бине, умноженного на их энергию (в произвольных единицах, общих для всех спектров). Такое представление спектров (SED, Spectral Energy Distribution) общепринято в астрофизике высоких энергий — оно показывает распределение мощности по разным энергетическим диапазонам.

Квазар 3С 454.3 по абсолютной светимости в гамма-квантах более чем на три порядка мощней, чем Mrk 421, просто он гораздо дальше. Разница в светимости аккреционного диска еще больше. Отсюда и разница в жесткости спектра. Яркий свет для ускоряемых частиц — как вязкая среда, особенно если это электроны (и позитроны). Причем основу светимости такого мощного квазара должны давать именно электроны и позитроны. Если их там изначально не было, они рождаются парами в таком количестве, что по числу на порядки превосходят число протонов в джете.

Более того, в спектрах блазаров видны признаки поглощения гамма-квантов энергии 3-20 ГэВ рассеянным и переработанным светом аккреционного диска (см. arXiv:1408.0793v1). Это поглощение вызвано процессом γ₁ + γ₂ → e⁺ e^—, где γ₁ — гамма-квант большой энергии, γ₂ — фотон Лайман-альфа линии водорода.

Из-за этого процесса в спектре ярких FSRQ возникают характерные изломы, которые особенно хорошо видны в суммарном спектре многих блазаров. Это значит, что излучение гамма-квантов идет из «центрального парсека», где хватает ультрафиолетового излучения, чтобы поглотить часть гамма-квантов. Это, в свою очередь, указывает на то, что джет ускоряется достаточно быстро, что можно обеспечить только процессом Блэндфорда — Знаека: черной дырой в магнитном поле.

С другой стороны, на одной из карт «Радиоастрона» виден джет, широкий прямо у основания, что соответствует запуску от аккреционного диска (Nature Astronomy, 2018. Vol. 2. P. 472-477). В принципе, никто не запрещает испускать сразу два джета, вложенных один в другой: узкий и быстрый по центру и широкий, более медленный по периферии.

Источник нейтрино

Спектры BL Lac’ов гораздо жестче: энергия, излучаемая гамма-квантами не убывает в сотнях ГэВ и даже в ТэВах (это видят черенковские телескопы). Дальше гамма-кванты поглощаются по дороге из-за взаимодействия с инфракрасным фоном, которым галактики заполнили Вселенную. Поэтому мы не можем сказать, как далеко тянется спектр гамма-квантов BL Lac’ов. Зато недавно было зарегистрировано нейтрино с энергией выше 200 ТэВ от «рядового» блазара TXS 0506 +056 — тоже BL Lac (см. trv-science.ru/2018/07/17/pervyj-krik-nejtrinnoj-astronomii/). Его спектр, усредненный по 10 годам, показан на рис. 5. Он мягче, чем спектр близкого Mrk 421, что естественно — первый находится в трехстах с лишним миллионов световых лет, второй — в четырех миллиардах, поэтому жесткая часть его спектра сильно поглощена.

На рис. 5 показан график прибытия фотонов от TXS 0506 +056. Видно, что «пачка» нейтрино, пришедшая в конце 2014 — начале 2015 года, соответствует всплеску излучения гамма-квантов. Вспышка, соответствующая одиночному нейтрино, здесь не видна, но она хорошо выражена в данных черенковского телескопа MAGIC (Science 361, eaat1378 (2018), arxiv.org/abs/1807.08816).

Возникает естественный вопрос: почему нейтрино увидели от более далекого и слабого блазара? В абсолютной светимости TXS 0506 на порядок ярче, но тут важна наблюдаемая светимость, по которой Mrk 421 ярче на порядок. Возможны разные объяснения, например:

• На энергии 200 ТэВ существенно поглощение нейтрино Землей. Mrk 421 находится на севере, TXS 0506 — на юге. Поток нейтрино такой энергии ослабевает примерно в три раза, пройдя через Землю. Такое объяснение приводится в статье коллаборации Ice Cube (arxiv.org/abs/1807.08794).
• Для излучения нейтрино важны не только ускоренные протоны, еще нужна мишень для них. Мишенью для излучения гамма-квантов может быть свет. Мишенью для излучения нейтрино, скорее всего, служат частицы межзвездной среды. Соотношение плотности того и другого может сильно различаться.

В заключение список основных вопросов относительно джетов квазаров, вне зависимости от того, куда они направлены.

— Откуда запускается джет: из внутренних областей аккреционного диска или из близкой окрестности черной дыры? Поглощение в спектрах FSRQ говорит скорее о втором, хотя наблюдение «Радиоастрона» свидетельствует в пользу первого. Вполне возможно, что распространен комбинированный вариант.

— Какие ускоряемые частицы ответственны за основное излучение джета? В случае FSRQ это явно электрон-позитронные пары. В случае BL Lacc радикально более жесткими спектрами это, скорее всего, протоны. Во-первых, протоны легче ускорить, их потери меньше в миллион раз. Во-вторых, спектры BL Lac’ов похожи на каскадные спектры — когда начальная частица имеет очень высокую энергию, а ее потомки равномерно заполняют логарифмическую шкалу энергии. Ну и свежий аргумент в пользу протонов — нейтрино.

— Каков механизм ускорения частиц в джете? Внутренние ударные волны? Плазменные неустойчивости? Турбулентность? Граница джета? Консенсуса здесь не существует, и дискуссия на эту тему выходит за рамки данной статьи.

Обычно при запуске нового большого инструмента сливки снимаются за два-три года. Но потом продолжается отладка, накопление статистики, регистрация новых событий, уточнение картины и качественно новые результаты. Поэтому остается пожелать членам команды «Ферми», чтобы их детище благополучно проработало до следующего юбилея.

Борис Штерн,
вед. науч. сотр. ИЯИ РАН, главный редактор ТрВ-Наука