Вчені перевіряють суперечливу теорію випромінювання Blazar

Дослідники штату Пенсільванія нещодавно охарактеризували понад сотню блазарів – далеких динамічних галактик, у центрі яких знаходиться надмасивна чорна діра, яка приводить у рух потужні струмені – з каталогу раніше некласифікованих космічних викидів високої енергії. Нещодавно визнані блазари, які тьмяні порівняно з більшістю своїх аналогів, дали вченим шанс перевірити суперечливу теорію щодо випромінювання блазарів. Ці нові знання сприяють нашому розумінню розширення чорних дір і навіть впливають на наші теорії загальної теорії відносності та фізики частинок високих енергій.

Надмасивні чорні діри можуть у мільйони або мільярди разів перевищувати масу нашого Сонця. У деяких випадках речовина за межами горизонту подій чорної діри рухається у вигляді струменя, прискорюючись майже до швидкості світла та надсилаючи викиди по всьому Всесвіту. Коли струмінь спрямований прямо на Землю, система зазвичай називається блазаром.

«Оскільки струмінь блазара спрямований прямо на нас, ми можемо бачити їх набагато далі, ніж інші системи чорних дір, подібно до того, як ліхтарик виглядає найяскравішим, коли ви дивитесь прямо на нього», — сказав Стівен Кербі, випускник студент астрономії та астрофізики в Пенсільванському університеті та перший автор статті. «Блазари захоплюючі для вивчення, оскільки їхні властивості дозволяють нам відповісти на запитання про надмасивні чорні діри у всьому Всесвіті. У цьому дослідженні ми використали відносно нові методи, щоб охарактеризувати 106 тьмяних блазарів і перевірити прогнози суперечливої ​​теорії, яка називається «послідовністю блазарів».

Блазари випромінюють світло в усьому електромагнітному спектрі, від хвиль з нижчою енергією, як-от радіо, інфрачервоне та видиме світло, до хвиль з вищою енергією, як-от рентгенівське та гамма-промені. Коли астрономи вивчають спостереження за цими випромінюваннями, вони зазвичай бачать два широкі піки, один у гамма-променях, а другий – у хвилях з меншою енергією. Довжини хвиль та інтенсивність цих піків змінюються від блазара до блазару та з часом. Загальна теорія блазарів, визначена «послідовністю блазарів», передбачає, що пік з нижчою енергією для яскравіших блазарів буде в середньому червонішим — меншою енергією — ніж пік тьмяних блазарів, тоді як пік з нижчою енергією для тьмяних блазарів буде синіший — вища енергія.

«Деякі з найбільш захоплюючих і екстремальних блазарів виявляються шляхом виявлення їх гамма-випромінювання, але зазвичай ми не можемо класифікувати або зрозуміти ці об’єкти без подальших багатохвильових спостережень», — сказав Абе Фальконе, професор-дослідник астрономії та астрофізики та керівник група астрофізики високих енергій у штаті Пенсільванія. «З нашими нині діючими телескопами насправді дуже важко виявити та класифікувати пікові блазари з нижчою енергією — червоні — які також тьмяні, тоді як набагато легше знайти ці блазари, коли їхні піки мають вищу енергію або коли вони яскраві. . Отже, завдяки цьому дослідженню ми мінімізуємо зміщення відбору та досліджуємо послідовність блазарів, глибше заглиблюючись у нижчу яскравість як низькоенергетичних, так і високоенергетичних пікових блазарів».

Дослідники разом з Аманпретом Кауром — доцентом-дослідником астрономії та астрофізики в Пенсільванському університеті на час дослідження — раніше ідентифікували потенційні блазари з каталогу джерел гамма-випромінювання, виявлених Великим телескопом Фермі, багато з яких ще не були виявлені. було поєднане з викидами з нижчим енергоспоживанням, які могли походити з того самого джерела. Потім для кожного з блазарів дослідники визначили відповідне випромінювання в рентгенівському, ультрафіолетовому та оптичному випромінюваннях, виявлені обсерваторією Ніла Герельса Свіфта, чий оперативний центр місії розташований у штаті Пенсільванія, а також в інфрачервоному та радіовипромінюванні за архівними даними. . Перехресне посилання на інформацію зрештою дозволило дослідникам охарактеризувати спектри 106 нових тьмяних блазарів.

«Спостереження за допомогою телескопа Swift дозволили нам визначити положення цих блазарів набагато точніше, ніж за допомогою самих даних Фермі», — сказав Кербі. «Об’єднання всіх цих даних про випромінювання в поєднанні з двома новими технічними підходами допомогло нам визначити, де в електромагнітному спектрі виникає пік низької енергії для кожного з блазарів, що, наприклад, може надати інформацію про силу магнітного струменя струменя. поле, швидкість руху заряджених частинок та іншу інформацію».

Щоб визначити, де стався цей пік для тьмяних блазарів, дослідники використовували підходи машинного навчання та прямої фізичної підгонки, кожен із яких, за словами Кербі, має переваги та недоліки. Підхід машинного навчання відфільтровує випромінювання, які насправді можуть бути шумом, наприклад від пилу в галактиці або світла від інших зірок. Підхід прямого фізичної підгонки не фільтрує шум і значно складніший у використанні, але забезпечує більш детальні властивості блазарного струменя.

«Для обох підходів випромінювання нашої вибірки тьмяних блазарів зазвичай досягає максимуму в синьому світлі з вищою енергією, хоча підхід підгонки дає менш екстремальні значення», — сказав Кербі. «Це узгоджується з послідовністю блазарів і розширює те, що ми знаємо про цю модель. Проте все ще існує тисяча непов’язаних джерел Фермі, для яких ми не знайшли рентгенівського відповідника, і можна припустити, що багато з цих джерел також є блазарами, які просто занадто тьмяні в рентгенівських променях, щоб ми їх могли виявити. Ми можемо використати уроки, які ми дізналися тут про форму спектрів цих блазарів, щоб робити прогнози щодо блазарів, які все ще занадто тьмяні, щоб ми їх виявили, що б додатково перевірити послідовність блазарів».

Каталог нових блазарів доступний іншим астрономам для детального вивчення.

«Важливо завжди працювати над розширенням наших наборів даних, щоб охопити все тьмяніші джерела, оскільки це робить наші теорії більш повними та менш схильними до помилок через несподівані упередження», — сказав Кербі. «Я в захваті від появи нових телескопів для дослідження ще більш тьмяних блазарів у майбутньому».

За словами дослідників, вивчення надмасивних чорних дір також дає унікальний спосіб зрозуміти фізичні теорії у Всесвіті.

«Надмасивні чорні діри та їхнє оточення є космічними лабораторіями, які мають набагато більшу енергію, ніж усе, що ми можемо виробити в прискорювачах частинок на Землі», — сказав Фальконе. «Вони дають нам можливість вивчати теорії відносності, краще розуміти, як поводяться частинки при високих енергіях, вивчати потенційні джерела космічних променів, які потрапляють сюди, на Землю, і вивчати еволюцію та формування надмасивних чорних дір та їхніх струменів.» Джерело