В некотором роде, как создание альянса для победы над Звездой Смерти Дарта Вейдера, более десяти лет назад астрономы создали консорциум телескопа Blazar для всей Земли, чтобы понять Пушку Луча Смерти Природы (в отличие от ее звучащего при входе в смерть названия, GASP оказался решающим для раскрытия секретов того, как работает «LHC» Nature.
«Как крупнейшие ускорители во Вселенной, блазарные самолеты очень важны для понимания», - сказал научный сотрудник Института астрофизики и космологии частиц (KIPAC) Кавли Масааки Хаясида, автор соответствующей статьи в недавней статье, представляющей новые результаты с астрофизиком KIPAC Грегом Мадейски. «Но как они производятся и как они структурированы, не совсем понятно. Мы все еще пытаемся понять основы ».
Blazars доминируют над небом гамма-излучения, дискретными пятнами на темном фоне вселенной. Когда находящееся поблизости вещество падает в сверхмассивную черную дыру в центре блазара, «питая» черную дыру, оно распыляет часть этой энергии обратно во вселенную в виде струи частиц.
Исследователи ранее предположили, что такие струи удерживаются вместе сильными усиками магнитного поля, в то время как свет струи создается частицами, спиральными вокруг этих тонких пучков «линий» магнитного поля.
Тем не менее, до сих пор детали были относительно плохо поняты. Недавнее исследование нарушает преобладающее понимание структуры самолета, раскрывая новое понимание этих таинственных, но могущественных зверей.
«Эта работа является значительным шагом к пониманию физики этих самолетов», - сказал директор KIPAC Роджер Бландфорд. «Именно этот тип наблюдения позволит нам выяснить их анатомию».
В течение целого года наблюдений исследователи сосредоточились на одной конкретной блазарной струе, 3C279, расположенной в созвездии Девы, и наблюдали за ней во многих различных диапазонах волн: гамма-излучении, рентгеновском, оптическом, инфракрасном и радио. Blazars постоянно мерцают, и исследователи ожидали постоянных изменений во всех диапазонах волн. Однако в середине года исследователи наблюдали впечатляющее изменение оптического и гамма-излучения струи: 20-дневная вспышка гамма-излучения сопровождалась резким изменением оптического света струи.
Хотя большая часть оптического света неполяризована - состоит из света с равной смесью всех поляризаций - экстремальный изгиб энергетических частиц вокруг линии магнитного поля может поляризовать свет. Во время 20-дневной вспышки гамма-излучения оптический свет от струи изменил свою поляризацию. Эта временная связь между изменениями в гамма-излучении и изменениями в оптической поляризации предполагает, что свет в обоих диапазонах волн создается в одной и той же части струи; в течение этих 20 дней что-то изменилось в местной среде, что привело к изменению как оптического, так и гамма-излучения.
«У нас есть довольно хорошее представление о том, где в струе создается оптический свет; Теперь, когда мы знаем, что гамма-лучи и оптический свет создаются в одном месте, мы можем впервые определить, откуда поступают гамма-лучи », - сказал Хаясида.
Это знание имеет далеко идущие последствия о том, как сверхмассивная черная дыра создает полярные струи. Подавляющее большинство энергии, выделяемой в струе, уходит в виде гамма-лучей, и исследователи ранее считали, что вся эта энергия должна высвобождаться вблизи черной дыры, вблизи того места, где вещество, текущее в черную дыру, отдает свою энергию в первое место. Все же новые результаты предполагают, что - как оптический свет - гамма-лучи испускаются относительно далеко от черной дыры. Это, по словам Хаяшиды и Мадейски, в свою очередь, говорит о том, что линии магнитного поля должны как-то помочь энергии уйти далеко от черной дыры, прежде чем она будет выпущена в виде гамма-лучей.
«То, что мы обнаружили, сильно отличалось от того, что мы ожидали», - сказал Мадейски. «Данные свидетельствуют о том, что гамма-лучи образуются не через один или два световых дня от черной дыры [как ожидалось], а ближе к одному световому году. Это удивительно.
В дополнение к раскрытию того, где в струе генерируется свет, постепенное изменение поляризации оптического света также обнаруживает нечто неожиданное в общей форме струи: струя изгибается при отклонении от черной дыры.
«В какой-то момент во время вспышки гамма-излучения поляризация повернулась примерно на 180 градусов при изменении интенсивности света», - сказал Хаясида. «Это говорит о том, что весь джет изгибается».
Это новое понимание внутренней работы и конструкции струи блазар требует новой рабочей модели структуры струи, в которой струя резко изгибается, и наиболее энергичный свет исходит далеко от черной дыры. Именно здесь, по словам Мадейски, приходят теоретики. «Наше исследование ставит перед теоретиками очень важный вызов: как бы вы построили струю, которая потенциально могла бы переносить энергию так далеко от черной дыры? И как мы можем это обнаружить? Учесть магнитные силовые линии не просто. Связанные вычисления сложно сделать аналитически, и их необходимо решать с помощью чрезвычайно сложных численных схем ».
Теоретик Джонатан МакКинни, сотрудник Эйнштейна Стэнфордского университета и эксперт по формированию намагниченных струй, согласен с тем, что результаты ставят столько вопросов, на которые они отвечают. «В отношении этих струй существует давняя полемика - о том, откуда именно исходит гамма-излучение. Эта работа ограничивает возможные типы моделей струй », - сказал Маккинни, который не связан с недавним исследованием. «С точки зрения теоретика, я взволнован, потому что это означает, что мы должны переосмыслить наши модели».
Поскольку теоретики считают, что новые наблюдения соответствуют моделям работы самолетов, Хаясида, Мадейски и другие члены исследовательской группы будут продолжать собирать больше данных. «Существует очевидная необходимость в проведении таких наблюдений на всех типах света, чтобы лучше это понять», - сказал Мадейски. «Для выполнения этого вида исследований требуется огромная координация, в которую вошли более 250 ученых и данные примерно с 20 телескопов. Но это стоит того."
Благодаря этим и будущим многолучевым исследованиям теоретики получат новое понимание того, как создавать модели работы крупнейших ускорителей во Вселенной. Дарту Вейдеру было отказано в доступе к результатам этих исследований.
Источники: пресс-релиз Национальной ускорительной лаборатории DOE / SLAC, статья в журнале Nature от 18 февраля 2010 года.
