Blazary, galaktyki z masywnymi czarnymi dziurami w centrach, są ostatnimi laty intensywnie badane przez naukowców z Krakowa. Poniżej przedstawiamy te obiekty i kilka istotnych, tegorocznych prac na ich temat, w które zaangażowani byli między innymi astronomowie z Uniwersytetu Jagiellońskiego.
Blazary stanowią podklasę galaktyk aktywnych, których całkowita energia radiacyjna jest zdominowana przez szerokopasmową, nietermiczną i wzmocnioną przez zjawisko Dopplera emisję relatywistycznych dżetów plazmy. Dżety są produkowane w procesie akrecji materii na supermasywne czarne dziury znajdujące się w większości galaktyk eliptycznych. Część emisji blazarów obejmująca zakres od fal radiowych po światło widzialne i promienie rentgenowskie jest emisją ciągłą - efektem promieniowania synchrotronowego produkowanego przez pary elektron-pozyton przyśpieszane w dżetach.
Blazary dzielą się na dwie grupy źródeł: FSRQ (kwazary radiowe o płaskich widmach) i obiekty BL Lacertae (Lacertydy). Obiekty FSQR mają większe moce i charakterystyczne linie emisyjne widoczne w całym kontinuum. Maksimum ich emisji synchrotronowej przypada na niskoczęstotliwościowe części widma. Lacertydy są słabsze, a w ich widmach jest niewiele linii emisyjnych. Ich promieniowanie synchrotronowe pochodzi z kolei głównie z wysokoenergetycznej części widma elektromagnetycznego, stanowią więc wyjątkową klasą obiektów o bardzo silnej emisji synchrotronowej.
Blazary wykazują też silną zmienność emisji - na wszystkich długościach fali obserwacji, w skalach czasowych od dziesięcioleci aż po minuty. Kształty widm mocy ich krzywych blasku wskazują na to, że obserwowane zmiany w strumieniu w danym zakresie energii są skorelowane z częstotliwością w czasie. Jednak krzywe zmian blasku blazarów otrzymywane na drodze obserwacji teleskopami naziemnymi mają zwykle ograniczone pokrycie czasowe. Na falach widzialnych problem też może być od niedawna rozwiązany (choć ciągle tylko dla niewielkiej próbki obiektów!) poprzez wykorzystanie danych zbieranych przez satelitę Kepler.
OJ 287 to blazar typu BL Lacertae oddalony od Ziemi o 3,5 miliarda lat świetlnych. Emituje pseudookresowe rozbłyski w dziedzinie optycznej, których pojawianie się możemy prześledzić aż do około 120 lat wstecz - pierwsze z nich są widoczne już na fotograficznych kliszach z 1896 roku. Optyczna krzywa zmian blasku obiektu wykazuje dodatkowo periodyczne oscylacje charakteryzowane przez dwa maksima jasności, powtarzające się z okresem około 12 lat. Są one interpretowane jako przejaw obecności w centrum tej galaktyki układu dwóch obiegających się wzajemnie, supermasywnych czarnych dziur o wyraźnie zróżnicowanych masach. Zmienność związana z podwójnymi rozbłyskami uważana jest za wynik procesu, w którym mniejsza z czarnych dziur przebija się co 12 lat przez dysk akrecyjny większej z nich.
Międzynarodowy zespół astronomów z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Jagiellońskiego przeprowadził pierwszą długookresową analizę zmienności OJ 287 w pełnym zakresie widma elektromagnetycznego, wykorzystując w tym celu również dane pochodzące z satelity Kepler. Otrzymano zmienne widmo mocy obiektu bez długich przerw czasowych. Wyniki tych badań ukazały się w Astronomical Journal. Analiza wykazała, że widma mocy uzyskane dla częstotliwości radiowych są typowe dla kolorowego szumu (oznacza to, że ich zmienność zmniejsza się coraz bardziej wraz ze zmniejszaniem przedziałów czasu) w skali czasowej od dziesiątek lat do miesięcy. Optyczne spektrum mocy jest również zgodne z kolorowym szumem w skali czasowej rozciągającej się od 117 lat aż do godzin. Widmo mocy promieniowania rentgenowskiego przypomina widma mocy radiowej i optycznej w analogicznych skalach czasowych - od miesięcy do dziesiątek lat. Jednak widmo mocy dla wysokich energii gamma wyraźnie różni się od niższych energii i wykazuje charakterystyczne czasy relaksacji odpowiadające około 150 dniom. Różnorodność widm mocy otrzymanych dla OJ 287 na różnych długościach fal może wskazywać na bardziej złożoną naturę zmienności blazarów.
Większość blazarów leży tak daleko od nas, że żaden ze współczesnych instrumentów astronomicznych nie jest w stanie szczegółowo zobrazować ich aktywnych obszarów centralnych. Badania obserwowanej zmienności są zatem ważnym narzędziem, które pomaga nam lepiej zrozumieć procesy zachodzące w bezpośredniej bliskości tych aktywnych centrów galaktycznych.
PKS 0219-164 to kolejny ciekawy blazar badany przez astronoma z Krakowa. Dokładne położenie źródła na falach radiowych (2700 MHz) i jego korelacja z obiektem widocznym w zakresie optycznym znane są już od roku 1977. Blazar ten został również niedawno zbadany na częstotliwości 15 GHz. Do obserwacji użyto radioteleskopu OVRO. Dane obejmowały lata 2008–2017. Wykryto silny sygnał powtarzający się z okresem rzędu 270 dni. Co może go wywoływać?
W układzie spoczynkowym dla źródła o przesunięciu ku czerwieni z=0,7 270 dniom obserwacji na Ziemi odpowiada około 160 dni. Dla blazara z czarną dziurą o masie rzędu 10^9 mas Słońca promień orbity keplerowskiej to blisko 3 miliparseki. W hipotetycznym układzie podwójnym dwóch takich czarnych dziur ze stosunkiem mas składników od 0.1 do 0.01 czas zaniku ich orbit szacowany jest na jedyne 35 lat. Oznacza to, że układ taki może zlać się ze sobą w grawitacyjnym kolapsie jeszcze za czasu naszego życia, emitując przy tym fale grawitacyjne. Jeśli jednak obserwowana zmienność obiektu jest wzmacniona dopplerowsko przez obecność relatywistycznych cząsteczek poruszających się i przyspieszanych przez pola magnetyczne dżetów, rzeczywista skala okresowości może wydłużać się. Wówczas jeden ze składników może krążyć wokół drugiego nawet w odległości kilku dziesiątych parseka, a ewolucja takiego układu czarnych dziur trwa odpowiednio dłużej.
Alternatywnie, w ujęciu relatywistycznym orbity obracających się, masywnych obiektów są silnie zniekształcane przez tak zwane unoszenie układu odniesienia (ang. frame-dragging). Wywołuje to precesję węzłów orbit tych ciał znaną jako efekt Lense-Thirringa. Wynikająca z precesji, okresowa zmiana kąta wyrzutu dżetu z blazara może wówczas łatwo tłumaczyć obserwowaną zmienność jego strumienia.
Ale w jeszcze innymi możliwym scenariuszu dysk akrecyjny z silnym polem magnetycznym może przyczyniać się do powstania tak zwanych magnetycznie blokowanych przepływów akrecyjnych. Powstają wówczas niestabilności, które mogą wywoływać pseudookresowe oscylacje na styku dysku i magnetosfery. Powstawanie takich oscylacji obserwowane jest w magnetohydrodynamicznych symulacjach komputerowych wielkoskalowych dżetów.
Ilustracja: Ważona falkowa transformata Z dla obserwacji OVRO krzywej zmian blasku blazara PKS 0219-164. Po lewej: rozkład mocy WWZ w czasie (skala barwna). Po prawej: moc uśredniona w czasie (krzywa niebieska) w funkcji okresu dla obiektu. Źródło: G. Bhatta.
Warto na koniec wspomnieć o blazarze TXS 0506+056. Dwudziestego drugiego września zeszłego roku obserwatorium IceCube wykryło wysokoenergetyczne neutrino (jsłabo oddziaływującą cząstkę elementarną), którego pochodzenie było prawdopodobnie kosmiczne. Wykrycie pojedynczego neutrina nie daje możliwości zidentyfikowania jego źródła ze względu na niedostateczną kątową dokładność takich obserwacji. Dlatego szybko po jego wykryciu rozpoczęły się obserwacje "podejrzanego" obszaru nieba za pomocą teleskopów astronomicznych rejestrujących różne zakresy promieniowania. Podczas tych obserwacji wykryto jaśniejący obiekt, galaktykę TXS 0506+56, którą następnie zidentyfikowano jako możliwe źródło zarówno promieniowania gamma, jak i wysokoenergetycznych neutrin. Artykuł na temat tego ważnego odkrycia ukazał się w magazynie Science.
Blazar TXS 0506+056 znajduje się w odległości około 4 miliardów lat świetlnych od Ziemi. Pierwsze obserwacje dały jedynie górne ograniczenie na jasność promieniowania gamma z tego hipotetycznego źródła neutrin. Wykrycie promieni gamma w koincydencji z neutrinami fascynuje naukowców, gdyż ich powstanie musi być związane z przyspieszaniem protonów lub jąder atomowych do wysokich energii. Stają się one wówczas składową promieni kosmicznych. Pochodzenie promieniowania kosmicznego stanowi zagadkę dla naukowców już od czasu jego odkrycia, a więc od ponad 100 lat. Obserwacja promieni gamma i neutrin z blazara to pierwszy bezpośredni dowód na istnienie w tych obiektach kosmicznych akceleratorów protonów. Ponadto jest to kolejny sukces nowo rozwijającej się astronomii wykorzystującej różne nośniki informacji (ang. multimessenger astronomy), w której łączone są obserwacje wykonywane nie tylko w różnych zakresach widma elektromagnetycznego, ale także docierających do nas cząstek i innych fal: neutrin, promieni kosmicznych czy fal grawitacyjnych.
W badaniach tych także brali udział polscy astronomowie - m. in. z Zakładu Astrofizyki Wysokich Energii Obserwatorium Astronomicznego UJ, a także z Uniwersytetu Warszawskiego, CAMK PAN, UMK i IFJ PAN.
Czytaj więcej:
- [1] Oryginalna publikacja: A. Goyal et al. 2018: Stochastic modeling of multiwavelength variability of the classical BL Lac object OJ 287 on timescales ranging from decades to hours, The Astrophysical Journal.
- [2] Oryginalna publikacja: The IceCube Collaboration, Fermi-LAT, MAGIC, AGILE, ASAS-SN, HAWC, H.E.S.S., INTEGRAL, Kanata, Kiso, Kapteyn, Liverpool Telescope, Subaru, Swift/NuSTAR, VERITAS, VLA/17B-403: Multimessenger Observations of a flaring blazar coincident with high energy neutrino IceCube-170922A, Science, 13 lipca 2018.
- [3] Oryginalna publikacja: Gopal Bhatta: Radio and gamma-Ray Variability in the BL Lac PKS 0219−164: Detection of Quasi-periodic Oscillations in the Radio Light Curve, Astrophysical Journal, 14 września 2017.
Źródło: Uniwersytet Jagielloński
Ilustracja powyżej: długookresowe krzywe zmian blasku OJ 287, obejmujące zarówno historyczne jak i nowo pozyskane pomiary. Różne symbole odpowiadają różnym danym obserwacyjnym. Niebieska strzałka wskazuje na maksimum potężnego rozbłysku z 2015 roku, a czarna linia kropkowana (przesunięta w górę dla większej przejrzystości wykresu) śledzi ewolucję jasności obiektu przy założeniu stałej różnicy barw. Źródło: publikacja zespołu.
