Дослідники з Санкт-Петербурзького державного університету проаналізували дані оптичних телескопів більш ніж за вісім років і змогли пояснити механізм обертання площини поляризації в блазарах. Результати дослідження опубліковані в MNRAS - одному з провідних астрофізичних журналів, який випускає Королівське астрономічне товариство.
Як зазначає один з авторів статті, старший науковий співробітник кафедри астрофізики СПбДУ Дмитро Блінов, поляризацію світла активних ядер галактик дослідники вивчають понад 50 років.
Одні з перших наукових робіт на цю тему були опубліковані ще в 1960-х роках професором кафедри астрофізики СПбДУ Володимиром Олександровичем Гаген-Торном і доцентом кафедри астрофізики ЛДУ Віктором Олексійовичем Домбровським.
У Всесвіті основний матеріал сконцентрований в галактиках з сотнями мільярдів зірок: у Чумацькому шляху їх налічується близько 200-400. У центрі галактик знаходяться надмасивні чорні діри, чия маса коливається від мільйонів до мільярдів мас Сонця.
Навколо чорних дір знаходиться велика кількість зірок, газу і пилу, які, виявляючись занадто близько до чорної діри, «падають» в неї. Однак чорна діра не може поглинути це повністю і викидає частину речовини в міжгалактичний простір у вигляді екстремально швидких струменів плазми - так званих джетів.
Найбільш зручними об'єктами для вивчення цього явища вважаються блазари - активні ядра галактик з дуже великою світністю, чий потік плазми (джет) спрямований в бік Землі під кутом не більше 15 градусів. Такі об'єкти є основними джерелами космічного гамма-випромінювання, природа і властивості якого не до кінця досліджені. Крім того, блазари спантеличують астрономів та іншими явищами, серед яких обертання площини поляризації.
Площина поляризації хвилі - це площина, в якій вектор (наприклад, електричний) коливається, змінюється. На малюнку нижче блакитним показано коливання електричного вектора, а червоним - площину поляризації.
Світло, яке ми бачимо в природі, як правило, складається з безлічі таких хвиль, спрямованих в різні боки, в цьому випадку орієнтація площини поляризації випадкова (на малюнку зліва). Повністю поляризоване світло (на малюнку праворуч) поширюється з коливаннями електричного вектора тільки в одній площині - таке явище можна спостерігати в деяких лазерах.
Однак фізичні процеси в основному створюють частково поляризоване світло, коли електромагнітні хвилі в пучці світла частіше коливаються вздовж одного з напрямків. Так, на малюнку посередині показані електромагнітні хвилі в пучці частково поляризованого світла, спрямованого в бік читача.
Саме таке світло спостерігають вчені, досліджуючи блазари: для цього вони вивчають активні ядра галактик через телескоп зі спеціальним поляризаційним фільтром, схожим на сонцезахисні окуляри, які пропускають коливання тільки в одній площині.
Десятиліття спостережень показали, що площина поляризації видимого світла у блазарів іноді обертається. Вчені висували кілька гіпотез, які могли б описувати механізм подібних обертань, але жодна з них не мала достатніх доказів.
Дослідницька група лабораторії спостережної астрофізики СПбДУ звернула увагу на одну з теоретичних моделей, яка була запропонована ще в 2010 році в науковій статті, де також брали участь співробітники СПбДУ. У ній розглядалося обертання площини поляризації і було передбачено, що такі обертання повинні збігатися з повторюваними спалахами гамма-випромінювання.
Щоб перевірити цю гіпотезу, група дослідників СПбДУ у співпраці з вченими з Інституту астрофізичних досліджень Бостонського університету, Інституту радіоастрономії Макса Планка та інших наукових організацій проаналізувала загальнодоступні дані космічної гамма-обсерваторії Фермі, яка спостерігала один з найактивніших блазарів 3C 279, а також результати спостережень обсерваторії СПбГУ, Крим, астроаторії.
"Ми зіставили результати численних спостережень поляризації оптичного випромінювання блазара 3C 279 з відкритими даними телескопа Фермі, який з 2008 року регулярно сканує все небо і показує розподіл потоку гамма-променів. Нам вдалося знайти картину спалахів у цього блазара, яка повторювалася щонайменше три рази разом з обертаннями оптичної поляризації. Це підтверджує запропоновану раніше модель, що пояснює обертання поляризації ", - розповідає Дмитро Блінов.
Крім того, спираючись на отримані дані, дослідники змогли описати структуру внутрішньої частини джетів. Виявилося, що швидкий хребет, центр джета, оточений більш повільною оболонкою, яка складається з кільцеобразних конденсацій.
Коли згусток плазми просувається в хребті джета на величезній швидкості, він розсіює низькоенергетичні фотони від оболонки до енергії гамма-діапазону, через що відбуваються спалахи, які і спостерігали вчені. Оскільки кільцеобразні структури оболонки виявилися стабільними протягом багатьох років спостережень, такі спалахи повторилися кілька разів.
Отримані в ході дослідження результати стали основою 3D-анімації, яка дає уявлення про процеси, що відбуваються у внутрішніх частинах активних ядер галактик.
За словами Дмитра Блінова, надалі такі патерни спалахів у гамма-діапазоні можуть допомогти прояснити інші питання. Так, за однією з гіпотез саме джети з швидкими хребтами і повільною оболонкою можуть виробляти фундаментальні космічні частинки - нейтрино, а повторювані патерни спалахів можуть вказувати на блазари, які випромінюють космічні нейтрино.