Gigantyczny teleskop – ośmiokrotnie większy od Ziemi – ukazuje bezprecedensowy widok masywnego kosmicznego dżetu

Astronomowie uzyskali bezprecedensowe obrazy dżetów plazmy z supermasywnej czarnej dziury w blazarze 3C 279, ujawniając złożone wzory, które podważają obecne teorie. W ramach tego międzynarodowego projektu, wykorzystującego zaawansowane sieci radioteleskopów, wykryto włókna spiralne w pobliżu źródła dżetów, co wskazuje na możliwą rolę pól magnetycznych w powstawaniu tych dżetów. (Koncepcja artysty.)

Teleskop większy od Ziemi odkrył we wszechświecie linę plazmową.

Korzystając z sieci radioteleskopów na Ziemi i w kosmosie, astronomowie byli w stanie uchwycić najbardziej szczegółowy w historii obraz dżetu z… osocze Strzelanie z supermasy Czarna dziura W sercu odległej galaktyki.

Dżet pochodzący z odległego świecącego jądra zwanego 3C 279 porusza się z prędkością bliską prędkości światła i wykazuje złożone wzory skręcenia w pobliżu swojego źródła. Wzorce te podważają standardową teorię stosowaną od 40 lat do wyjaśniania, w jaki sposób te przepływy tworzą się i zmieniają w czasie.

Duży wkład w obserwacje wniósł Instytut Radioastronomii Maxa Plancka w Bonn w Niemczech, gdzie połączono dane ze wszystkich uczestniczących teleskopów, aby stworzyć wirtualny teleskop o efektywnej średnicy około 100 000 km.

Wyniki ich badań opublikowano niedawno w czasopiśmie Astronomia przyrodnicza.

Rysunek 1: Splątane włókna blazara 3C 279. Obraz płaszczyzny relatywistycznej w wysokiej rozdzielczości w tym źródle, zaobserwowany przez RadioAstron. Zdjęcie ukazuje złożoną, płaską strukturę z kilkoma włóknami wielkości parseków tworzącymi spiralny kształt. W kolekcji znajdują się dane z radioteleskopów na całym świecie oraz z orbity okołoziemskiej, w tym ze 100-metrowego radioteleskopu Effelsberg. Dane zostały następnie przetworzone w Centrum Korelacji Instytutu Radioastronomii Maxa Plancka. Źródło: współpraca NASA/DOE/FermiLAT; Vlba/Jorstad i wsp.; Radio Astron/Fuentes i in

Wgląd w Blazars

Blazery to najjaśniejsze i najpotężniejsze źródła promieniowania elektromagnetycznego we wszechświecie. Jest to podklasa aktywnych jąder galaktycznych, obejmująca galaktyki z centralną supermasywną czarną dziurą, która gromadzi materię z otaczającego dysku. Około 10% aktywnych jąder galaktycznych, sklasyfikowanych jako kwazary, wytwarza relatywistyczne strumienie plazmy. Basary należą do niewielkiej części kwazarów, w których możemy zobaczyć dżety skierowane niemal bezpośrednio w stronę obserwatora.

Niedawno zespół badaczy, w tym naukowcy z Instytutu Radioastronomii im. Maxa Plancka (MPIfR) w Bonn w Niemczech, wykonał zdjęcia najbardziej wewnętrznego obszaru dżetu w blazarze 3C 279 z niespotykaną dotąd rozdzielczością kątową i odkrył niezwykle regularne włókna spiralne, które mogą wymagać rewizji. modele wykorzystywane dotychczas do wyjaśnienia procesów powstawania dżetów w aktywnych galaktykach.

„Dzięki RadioAstron, misji kosmicznej, podczas której orbitujący radioteleskop dotarł aż do Księżyca, oraz sieci dwudziestu trzech radioteleskopów rozmieszczonych na całej Ziemi, uzyskaliśmy obraz wnętrza planety o najwyższej rozdzielczości. ” „Przepływające dotychczas dżety gwiazdowe pozwalają nam po raz pierwszy tak szczegółowo obserwować wewnętrzną strukturę dżetów” – mówi Antonio Fuentes, badacz z Andaluzyjskiego Instytutu Astrofizycznego (IAA-CSIC) w Granadzie w Hiszpanii, który kieruje Praca.

Teoretyczne implikacje i wyzwania

Nowe okno na Wszechświat otwarte przez misję RadioAstron ujawniło nowe szczegóły dżetu plazmowego 3C 279, gwiazdy świecącej z supermasywną czarną dziurą w jądrze. Dżet zawiera co najmniej dwa skręcone włókna plazmy rozciągające się na ponad 570 lat świetlnych od centrum.

„Po raz pierwszy widzimy takie włókna tak blisko źródła dżetów, co mówi nam więcej o tym, jak czarna dziura tworzy plazmę. Napływ ten zaobserwowano także za pomocą dwóch innych teleskopów, GMVA i EHT, przy znacznie krótszych falach (3,5 mm i 1,3 mm), ale nie udało im się wykryć nitkowatych figur, ponieważ były zbyt słabe i zbyt duże dla tej rozdzielczości” – mówi Eduardo Ros, członek zespołu badawczego i europejski planista GMVA. „To pokazuje, jak różne teleskopy mogą ujawnić różne cechy tego samego obiektu” – dodaje.

Rysunek 2: Obserwacje RadioAstron VLBI zapewniają wirtualny teleskop o średnicy do ośmiu razy większej niż średnica Ziemi (maksymalna linia bazowa 350 000 km). Źródło: Roskosmos

Strumienie plazmy wydobywające się z marynarek nie są tak naprawdę proste i jednolite. Pokazują zakręty i zakręty, które pokazują, jak siły otaczające czarną dziurę wpływają na plazmę. Astronomowie badający te skręcenia w 3C279, zwane włóknami spiralnymi, odkryli, że są one spowodowane niestabilnością zachodzącą w plazmie dżetu. Przy okazji zdali sobie sprawę, że stara teoria, której używali do wyjaśnienia zmian przepływów w czasie, nie jest już aktualna. Dlatego potrzebne są nowe modele teoretyczne, które mogłyby wyjaśnić, w jaki sposób te spiralne włókna tworzą się i ewoluują w pobliżu początku strumienia. To wielkie wyzwanie, ale także świetna okazja, aby dowiedzieć się więcej o tych niesamowitych zjawiskach kosmicznych.

„Szczególnie interesującym aspektem wyłaniającym się z naszych wyników jest to, że wskazują one na obecność helikalnego pola magnetycznego, które ogranicza przepływ” – mówi Guang-Yao Zhao, obecnie związany z MPIfR i członek zespołu naukowców. „Dlatego pole magnetyczne wirujące wokół strumienia w 3C 279 zgodnie z ruchem wskazówek zegara może kierować i kierować plazmą dżetu poruszającą się z prędkością 0,997 prędkości światła”.

„Podobne włókna spiralne obserwowano już wcześniej w dżetach pozagalaktycznych, ale na znacznie większą skalę, gdzie uważa się, że są one spowodowane przez różne części dżetu poruszające się z różnymi prędkościami i ścinające się o siebie” – dodaje Andrei Lobanov, inny naukowiec MPIfR zajmujący się badaniem zespół badaczy. . „Dzięki tym badaniom wkraczamy w zupełnie nowy obszar, w którym włókna te można faktycznie powiązać z bardziej złożonymi procesami zachodzącymi w bezpośrednim sąsiedztwie czarnej dziury wytwarzającej dżety”.

Badanie przepływu wewnętrznego w 3C279, które teraz ukazuje się w najnowszym numerze Nature Astronomy, poszerza trwające poszukiwania lepszego zrozumienia roli pól magnetycznych w początkowym formowaniu się relatywistycznych wypływów z aktywnych jąder galaktycznych. Podkreśla wiele wyzwań stojących przed obecnym teoretycznym modelowaniem tych procesów i wskazuje na potrzebę dalszego udoskonalania instrumentów i technik radioastronomicznych, które zapewniają wyjątkową możliwość obrazowania odległych obiektów kosmicznych w standardowej rozdzielczości kątowej.

Postęp technologiczny i współpraca

Wykorzystując specjalną technikę zwaną interferometrią bardzo długiej linii bazowej (VLBI), poprzez łączenie i korelację danych z różnych obserwatoriów radiowych tworzony jest wirtualny teleskop o efektywnej średnicy równej maksymalnej odległości między antenami biorącymi udział w obserwacjach. Naukowiec projektu RadioAstron, Jurij Kovalev, obecnie w MPIfR, podkreśla znaczenie międzynarodowej współpracy w dziedzinie zdrowia dla osiągnięcia takich wyników: „Obserwatoria z dwunastu krajów zostały zsynchronizowane z anteną kosmiczną za pomocą zegarów wodorowych, tworząc wirtualny teleskop wielkości odległości do Ziemi. ” księżyc.”

„Eksperymenty z RADIOASTRONem, które doprowadziły do ​​takich zdjęć kwazara 3C279, to niezwykłe osiągnięcia, które stały się możliwe dzięki współpracy naukowej międzynarodowych obserwatoriów” – mówi Anton Zinsos, dyrektor MPIfR i jedna z sił napędowych misji RadioAstron prowadzonej przez ostatnie dwie dekady. I naukowcy w wielu krajach. Zanim satelita został wystrzelony, wspólne planowanie misji wymagało dziesięcioleci. Uchwycenie rzeczywistych obrazów jest możliwe dzięki połączeniu dużych teleskopów naziemnych, takich jak Eifelsberg, oraz dokładnej analizie danych w naszym centrum łączności VLBI w Bonn.

Odniesienie: „Struktury neamatyczne jako źródło anizotropii radia strumieniowego” Antonio Fuentes, Jose L. Gomez, José M. Martí, Manel Perocho, Guang Yao Zhao, Rocco Lecco, Andre P. Kovalev, Andrew Chell, Kazunori Akiyama, Katherine Bowman, He Sun, Ilji Zhu, Eftalia Traiano, Teresa Toscano, Rohan Dahalli, Marianna Fushi, Leonid I. Gurvits, Svetlana Jorstad, Jae-Young Kim, Alan B. Marcher, Yusuke. Mizuno, Eduardo Ros i Tuomas Savolainen, 26 października 2023 r., Astronomia przyrodnicza.
doi: 10.1038/s41550-023-02105-7

Więcej informacji

Misja radiointerferometru Ziemia-kosmos, aktywna od lipca 2011 r. do maja 2019 r., składa się z 10-metrowego krążącego po orbicie radioteleskopu (Spektr-R) i zestawu około dwudziestu największych naziemnych radioteleskopów, w tym radioteleskop Effelsberg 100 metrów. Kiedy sygnały poszczególnych teleskopów połączono za pomocą interferometrii fal radiowych, ta grupa teleskopów zapewniła maksymalną rozdzielczość kątową odpowiadającą radioteleskopowi o średnicy 350 000 km, czyli mniej więcej odległości między Ziemią a Księżycem. Czyni to RadioAstron instrumentem o najwyższej rozdzielczości kątowej w historii astronomii. Projekt RadioAstron był prowadzony przez Centrum Astronomii Kosmicznej Instytutu Fizycznego Lebiediewa Rosyjskiej Akademii Nauk i Towarzystwo Naukowe Ławoczkina i został wyprodukowany w ramach kontraktu z państwową firmą kosmiczną ROSCOSMOS, we współpracy z organizacjami partnerskimi w Rosji i innych krajach. Dane astronomiczne uzyskane podczas tej misji są analizowane przez indywidualnych naukowców na całym świecie, co doprowadziło do wyników takich jak pokazane tutaj.

Do MPIfR należą następujący współpracownicy nad nadesłaną pracą, według kolejności występowania na liście autorów: Guang-Yao Zhao, Andrei P. Lobanov, Yuri Y. Kovalev, Efthalia (Thalia) Traianou, Jae-Young Kim, Eduardo Ros i Tuomasa Savolainena. Współpracownicy Rocco Lecco i Gabriele Bruni również byli związani z MPIfR w okresie misji RadioAstron.

Jurij Y. Kovalev jest laureatem Nagrody Badawczej im. Friedricha Wilhelma Bessela przyznanej przez Fundację Aleksandra von Humboldta.