Астрофизики установили причины ритмичных вспышек блазара Тон 599

Где-то в 4,7 миллиарда световых лет от нас находится один из самых ярких и беспокойных объектов известной Вселенной. Блазар Тон 599 — это сверхмассивная черная дыра, релятивистский джет которой направлен прямо на нас. На протяжении последних 40 лет этот объект систематически вспыхивает, причем вспышки прослеживаются в радио-, оптическом и гамма-диапазонах.

Эффект Допплера усиливает излучение джета в сотни и тысячи раз, превращая такой объект в один из самых ярких маяков во вселенной. Тон 599 относится к подклассу так называемых радиоквазаров с плоскими радиоспектрами и принадлежит к числу немногих блазаров, зафиксированных в ТэВ-диапазоне. Его история вспышек — одна из богатейших в каталогах: крупные выбросы яркости регулярно регистрировались с конца 1970-х годов. Но вопрос о том, есть ли за этой кажущейся хаотичностью закономерность, и если да, то какова ее природа, оставался открытым.

Ответить на него непросто: переменность блазаров по своей природе стохастична — внутренние ударные волны в джете, турбулентные магнитные перезамыкания, хаотическая аккреция неизбежно дают шум, на фоне которого слабые периодические сигналы могут потеряться.

Авторы исследования применили два независимых метода обнаружения квазипериодического сигнала: классическую периодограмму Ломба—Скаргла (LS), адаптированную для неравномерных временны́х рядов, и весовое вейвлет Z-преобразование (WWZ), позволяющее отслеживать нестационарные периодические компоненты во времени. Обе техники применялись к рядам наблюдений в нескольких частотных диапазонах одновременно. Результаты опубликованы в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Юлия Сотникова, заместитель директора САО РАН по научной работе, руководитель исследования, прокомментировала полученные результаты так: «Сорок лет систематических многоволновых наблюдений — это тот фундамент, без которого подобный результат был бы попросту невозможен; добавлю, что большая часть радиоданных, на которые мы опирались, публикуется впервые. Переменность блазаров обманчива: красный шум, неизбежный в таких рядах, легко имитирует ложную периодичность, поэтому каждую найденную компоненту мы проверяли двумя независимыми методами и моделированием синтетических кривых блеска. В итоге складывается непротиворечивая картина: устойчивые квазипериоды от полутора до семи с половиной лет, согласованные в радио-, оптическом и гамма-диапазонах, мы связываем с геометрией системы двойной черной дыры, тогда как самые мощные вспышки по-прежнему требуют отдельного объяснения через механизмы ударных волн в джете. И для нас особенно важно, что Тон 599 становится своего рода космической лабораторией для гравитационно-волновой астрономии будущего: по измеренным электромагнитным периодам можно будет изучать взаимодействие двух сверхмассивных черных дыр».

Художественное изображение блазара: сверхмассивная черная дыра формирует аккреционный диск и выбрасывает два противоположных релятивистских джета / © MichaelTaylor / Shutterstock

Данные охватывают 40-летний период (1983–2025) и включают радионаблюдения на частотах 1–230 гигагерц с помощью телескопов РАТАН-600, РТ-32, РТ-22 и других инструментов, оптические измерения в R-полосе и 17-летний ряд гамма-данных телескопа Fermi-LAT. Перекрестный анализ кривых блеска методом дискретной корреляционной функции показал: гамма-, оптическое и радиоизлучения высоко коррелированы между собой с временны́ми задержками от нуля до 360 дней, это означает, что все три вида излучения генерируются одной и той же популяцией частиц в джете. Анализ методами LS и WWZ выявил несколько квазипериодических компонент: с характерными периодами около 1,4 и 1,7 года (краткосрочные) и около 6,5 и 7,5 (долгосрочные). Те же периодические компоненты прослеживаются еще в исторических рядах 1997–2011 годов, это говорит об устойчивости механизма на временны́х масштабах в несколько десятилетий.

Чтобы объяснить наблюдаемую многомасштабную квазипериодичность, астрофизики применили к радиоданным Тон 599 модель двойной сверхмассивной черной дыры с прецессирующим джетом. В этой модели в центре активной галактики находятся две черные дыры, вращающиеся вокруг общего центра масс. Более легкая из них имеет массу около 1,4 × 10⁸ масс Солнца, а более массивная — около 3,6 × 10⁸ масс Солнца. Их орбитальное движение вызывает периодический прилив в джете, а гравитационные взаимодействия заставляют джет прецессировать, то есть медленно «кружиться» вокруг своей оси, как волчок. Модель предсказывает орбитальные периоды от 1,2 до 1,7 года и периоды прецессии от 5,8 до 7,7 года в замечательном согласии с наблюдаемыми квазипериодическими компонентами.

Схема активного ядра галактики: аккреционный диск, джеты и структура магнитных полей. Для блазара Тон 599 орбитальное движение двойной черной дыры и прецессия джета вместе формируют наблюдаемую квазипериодическую переменность / © NASA

Зависимость параметров подгонки от наблюдательной частоты — разные части джета «мерцают» с несколько различающимися частотами — указывает на стратифицированную структуру джета: излучение на разных частотах формируются в разных зонах вдоль его оси, и сигнал приходит к нам с разными фазами в зависимости от того, в каком «слое» джета рождается излучение.

Краткосрочные вспышки и особенно яркие выбросы энергии авторы связывают с ударными волнами внутри джета, это стохастическая компонента, наложенная поверх регулярного квазипериодического фона.

Таким образом, переменность Тон 599 лучше всего описывается сочетанием геометрических эффектов (орбитальное движение и прецессия двойной системы) и стохастических процессов (внутренние удары и магнитные перезамыкания в джете).

Это открытие вписывается в более широкую исследовательскую программу поиска и верификации двойных сверхмассивных черных дыр. В результате слияния галактик — обычного события в истории вселенной — две центральные черные дыры сближаются и образуют гравитационно-связанную пару. Такие системы испускают гравитационные волны низкой частоты, которые можно обнаружить на Земле с помощью приборов.

Александр Попков, научный сотрудник лаборатории фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ, прокомментировал результаты проведенного исследования так: «Тон 599 наблюдается уже полвека, но только сейчас, собрав воедино данные более десяти телескопов за четыре десятилетия и применив современные методы анализа временны́х рядов, мы смогли увидеть за хаосом вспышек строгую архитектуру. Картина двойной черной дыры с прецессирующим джетом объясняет и краткосрочные, и долгосрочные периодические компоненты в рамках единой физической модели».

Блазар Тон 599 стал очередным полигоном, на котором человечество отрабатывает инструменты для эпохи, когда у нас будут не только электромагнитные, но и гравитационно-волновые «уши» для прослушивания вселенной.

Наблюдения с помощью телескопов САО РАН поддержало Министерство науки и высшего образования Российской Федерации. Кроме сотрудников Специальной астрофизической обсерватории РАН (Нижний Архыз), Санкт-Петербургского государственного университета и МФТИ в работе принимали участие астрофизики из Крымской астрофизической обсерватории РАН, Пулковской обсерватории, Института прикладной астрономии РАН, Синьцзянской астрономической обсерватории, Шанхайской астрономической обсерватории, Гуйчжоуской радиоастрономической обсерватории (Китай), а также из Физического института имени Лебедева РАН, Института ядерных исследований РАН и Института радиоастрономии имени Макса Планка (Германия).