Сгусток темной материи сфокусировал сигнал от главного источника космических нейтрино: как гравитационная линза объяснила аномальные вспышки блазара PKS 2233-148

Астрофизические нейтрино сверхвысоких энергий возникают в результате столкновений протонов высоких энергий с окружающим веществом или мощными световыми полями. В отличие от заряженных частиц, траекторию которых искривляют магнитные поля, и в отличие от света, который поглощается космической пылью, нейтрино движутся в пространстве строго по прямой линии от точки своего зарождения. Это делает их точными индикаторами процессов, происходящих в самых мощных природных ускорителях Вселенной.

Главный инструмент для регистрации таких частиц — подледная обсерватория IceCube, построенная на Южном полюсе. В массив антарктического льда на глубину от полутора до двух с половиной километров погружены тысячи фотодетекторов. Они фиксируют слабые вспышки оптического излучения, возникающие, когда космическое нейтрино крайне редко сталкивается с ядром атома во льду и порождает каскад вторичных заряженных частиц.

Поиск точечных источников нейтрино в южном полушарии неба представляет повышенную сложность. Для северного неба толща земного шара служит естественным барьером, который задерживает посторонние атмосферные частицы. В южном небе детекторы открыты прямому потоку фоновых мюонов, возникающих в земной атмосфере под действием космических лучей. Из-за этого выделить слабый внегалактический сигнал из общего шума оказывается значительно труднее.

При анализе накопленных за десять лет данных обсерватории IceCube наиболее статистически значимым источником в южном полушарии оказался блазар с обозначением PKS 2233-148. Расчеты показали, что вероятность случайного совпадения этого сигнала с фоновым шумом составляет всего шесть процентов.

Блазар представляет собой активное ядро далекой галактики. В его центре находится сверхмассивная черная дыра, которая притягивает окружающий газ. Вблизи полюсов вращения этой системы формируются две узконаправленные струи высокотемпературной плазмы — релятивистские джеты. Плазма в них движется со скоростью, близкой к скорости света. Блазаром такой объект называют тогда, когда одна из струй направлена практически точно на Землю.

Международная группа астрофизиков под руководством Сильке Бритцен из Института радиоастрономии Макса Планка провела масштабное исследование PKS 2233-148. Ученые объединили данные наблюдений в радиодиапазоне, оптическом, рентгеновском и гамма-спектрах, чтобы выяснить истинную структуру объекта и понять, почему его излучение демонстрирует резкие и нестандартные изменения.

Определение точного расстояния до источника

Для расчета истинной мощности излучения и физических размеров любых структур в космосе необходимо знать расстояние до объекта. В астрономии это расстояние измеряется через величину космологического красного смещения. По мере того как испущенный свет летит сквозь расширяющееся пространство, длина его волны увеличивается, а энергия каждого кванта падает. Чем дальше находится объект, тем сильнее спектр его излучения сдвигается в сторону более длинных волн и низких энергий.

Долгое время расстояние до PKS 2233-148 оставалось предметом научных споров. Оптические спектры давали оценку красного смещения около 0,61, тогда как фотометрический анализ распределения энергии указывал на значительно большую величину — около 1,43. В пересчете на физические единицы это создавало неопределенность расстояния в миллиарды световых лет. Кроме того, вдоль луча зрения спектрометры фиксировали следы двух промежуточных галактик с красными смещениями 0,49 и 0,61.

Чтобы устранить эту неопределенность, исследователи обратились к архивным спектрам орбитального рентгеновского телескопа Swift-XRT. При снижении базовой яркости джета в спектре удалось зафиксировать линию излучения нейтрального железа, известную как линия железа Ка-альфа.

В системе покоя атома железа эта эмиссионная линия всегда возникает на строго фиксированной энергии 6,4 килоэлектронвольта. Однако детекторы космического телескопа зарегистрировали этот сигнал на энергии 4,0 килоэлектронвольта.

Падение энергии фотонов в 1,63 раза позволило точно рассчитать красное смещение PKS 2233-148: оно составило 0,63 с возможной погрешностью не более 0,04. Статистическая достоверность этого результата превысила порог в три стандартных отклонения. Это доказало, что блазар находится непосредственно за второй промежуточной галактикой.

Необычные смещения плазменной струи

Для детального изучения геометрии джета ученые использовали метод радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами на частоте 15 гигагерц с помощью антенной решетки VLBA. Объединение сигналов от нескольких радиотелескопов, расположенных на разных континентах, позволило получить изображения структуры джета с угловым разрешением в доли миллисекунды дуги.

В норме плазменная струя блазара представляет собой прямолинейный или плавно искривленный поток. Однако наблюдения за PKS 2233-148 в период с 2009 по 2020 год выявили резкие геометрические аномалии:

• Внешняя часть струи на удалении около двух с половиной миллисекунд дуги от ядра оказалась параллельно смещена относительно основной оси в северном направлении на одну треть миллисекунды дуги.
• В отдельные периоды на боковом удалении от основного русла внезапно появлялись изолированные яркие плазменные образования, яркость которых в шесть раз превышала фоновые значения.
• Внутренняя часть струи на расстояниях менее одной миллисекунды дуги от центрального ядра в разные годы проецировалась под разными углами.

Исследователи проверили три стандартных гидродинамических механизма, способных вызвать видимые искажения струи, и доказали их неприменимость:

Во-первых, была отвергнута гипотеза о прецессии оси струи. Если черная дыра плавно покачивается в пространстве под гравитационным влиянием соседней массы, форма джета должна меняться непрерывно и циклически. В PKS 2233-148 смещение струи оставалось статичным на протяжении многих лет, а яркие боковые узлы появлялись мгновенно.

Во-вторых, исключен эффект двухслойного течения. В некоторых струях внешняя оболочка движется медленнее центрального стержня и за счет релятивистских эффектов кажется ярче. Но в этом случае повышенная яркость наблюдалась бы непрерывно и симметрично с обеих сторон струи. В PKS 2233-148 смещение фиксируется только с одного края.

В-третьих, отклонена модель магнитогидродинамической турбулентности. Развитие спиральных плазменных вихрей не способно сформировать компактные смещенные пятна излучения без разрушения целостности основного потока плазмы.

Геометрические разрывы струи не являлись внутренним свойством самого джета. Картина указывала на то, что свет от разных участков струи искривляется внешним гравитационным полем на пути к Земле.

Анализ гамма-вспышки и разделение сигналов

Космический гамма-телескоп Fermi-LAT непрерывно отслеживал изменения мощности излучения PKS 2233-148 в диапазоне энергий от 100 мегаэлектронвольт до 300 гигаэлектронвольт.

В середине 2012 года телескоп зафиксировал исключительно мощную вспышку. Обработка данных с двухдневным шагом показала, что это событие состояло из двух наложенных друг на друга процессов:

1. Широкого плавного подъема яркости длительностью девять с лишним дней.
2. Очень резкого и короткого пика длительностью всего один день и семнадцать часов, который возник на спаде первой вспышки с задержкой в девять с половиной дней.

Для проверки природы этого явления ученые применили метод байесовского статистического анализа и сравнили между собой несколько моделей:

• Модель двух независимых процессов в плазме (например, движение широкой ударной волны с последующим локальным выделением магнитной энергии) показала наилучшее согласие с фактическими данными.
• Модель сильного гравитационного линзирования на промежуточной галактике была статистически отвергнута. Если бы галактика расщепила изображение одной вспышки на два независимых луча, оба зафиксированных пика имели бы абсолютно одинаковую длительность и форму. Разница во времени между девятидневным подъемом и полуторадневным пиком полностью исключает эту гипотезу.

Короткий пик представлял собой отдельный локальный процесс, длительность которого требовала собственного физического объяснения.

Оценка массы линзирующего тела

Если короткий гамма-пик длительностью 1,7 дня возник из-за гравитационного микролинзирования (когда компактный невидимый объект проходит поперек луча зрения и временно фокусирует излучение далекого компактного источника), его длительность определяется временем пересечения области гравитационного воздействия — радиуса Эйнштейна.

Это время напрямую связано с тремя величинами:

• массой линзирующего объекта;
• расстояниями между наблюдателем, линзой и источником;
• скоростью движения линзы поперек луча зрения.

Математическая обработка формы вспышки показала, что время пересечения области фокусировки составило около одного дня и восьми часов. При стандартной для галактических гало скорости движения объектов около 300 километров в секунду расчетная масса линзы составила около трех стомиллионных долей массы Солнца, что эквивалентно примерно десяти в двадцать второй степени килограммов.

Звезды нашей или промежуточной галактики не могут создать такой сигнал: из-за большой массы звезды аналогичная вспышка длилась бы годами, либо звезде пришлось бы двигаться с физически нереальной скоростью свыше 10 000 километров в секунду.

Масса около трех стомиллионных долей массы Солнца точно попадает в так называемый астероидный диапазон масс. В астрофизике этот диапазон связывают с двумя гипотетическими типами объектов:

1. Первичные черные дыры, возникшие в первые доли секунды после зарождения Вселенной из-за флуктуаций сверхвысокой плотности материи.
2. Компактные сгустки холодной темной материи (мини-гало), существование которых в гало промежуточных галактик предсказывается современными численными моделями эволюции Вселенной.

Распрямление изображения струи: двухплоскостное делинзирование

На пути излучения от блазара к Земле находятся две промежуточные галактики на красных смещениях 0,49 и 0,61. Каждая из них обладает собственным гравитационным полем, искривляющим траекторию света. В результате излучение проходит через сложную систему из двух гравитационных линз, расположенных последовательно.

Математическое описание такого процесса строится на уравнениях многоплоскостного линзирования: луч света, отклоненный первой галактикой, входит в гравитационное поле второй галактики уже под измененным углом. Степень взаимного влияния дефлекторов зависит от соотношения расстояний между Землей, обеими линзами и источником.

Поскольку вторая галактика расположена в непосредственной пространственной близости от блазара, коэффициент связи между плоскостями линз оказался чрезвычайно высоким — 0,88.

Исследователи провели операцию делинзирования — математического обращения хода световых лучей с учетом рассчитанных гравитационных потенциалов промежуточных галактик (с массами порядка ста миллионов масс Солнца каждая).

Результат вычислений показал:

• Все разрозненные и смещенные вбок узлы джета на радиокартах в исходной плоскости источника выстраиваются в единую строгую прямую линию.
• Суммарная искусственная переменность радиоизлучения уменьшается, возвращаясь к типичным для релятивистских струй значениям.

Это подтвердило, что видимая фрагментация и изломы струи блазара являются результатом гравитационного искажения света промежуточными галактиками.

Симметрия радиоизлучения и гипотеза двойной черной дыры

Дополнительные сведения о структуре центрального источника дал многолетний радиомониторинг на 40-метровом радиотелескопе обсерватории Оуэнс-Вэлли на частоте 15 гигагерц.

Кривая блеска блазара за восемь лет наблюдений продемонстрировала редкое свойство — зеркальную временную симметрию относительно точки минимальной яркости, зафиксированной в 2014 году. Форма вспышек, предшествовавших моменту минимума, с высокой точностью (коэффициент корреляции около 0,79) повторилась после него в обратном хронологическом порядке. Моделирование доказало, что обычные случайные процессы турбулентности в аккреционном диске не способны сгенерировать зеркальный сигнал такой длительности.

Для объяснения этой симметрии авторы рассчитали механическую модель тесной двойной системы сверхмассивных черных дыр. Моделирование гравитационного взаимодействия двух тел с учетом релятивистских поправок и эффекта Доплера показало, что наблюдаемая кривая блеска воспроизводится при следующих параметрах системы:

• Масса главной черной дыры: 700 миллионов масс Солнца.
• Масса второй черной дыры: 600 миллионов масс Солнца.
• Период взаимного обращения: приблизительно 1,5 года.
• Орбита системы: близкая к круговой с небольшим вытяжением.

В такой системе вспышки возникают из-за гравитационного самолинзирования: при движении по орбите черные дыры периодически проходят перед аккреционными дисками и основаниями струй друг друга, временно увеличивая их видимую яркость для земного наблюдателя.

Медленный поворот орбиты в пространстве меняет углы обзора, что объясняет наличие в кривой блеска широких циклов переменности длительностью от 200 до 500 дней.

Выводы и значение для астрофизики

Исследование PKS 2233-148 объединило несколько направлений современной внегалактической астрономии:

1. Точная координатная привязка. Определение красного смещения 0,63 по рентгеновской спектральной линии железа перевело этот блазар из разряда плохо изученных объектов в статус надежно откалиброванных источников.
2. Подтверждение макролинзирования. Расчет двухплоскостного гравитационного отклонения доказал, что видимые искривления плазменного джета и его боковые смещения представляют собой оптические искажения, вызванные двумя галактиками на луче зрения.
3. Поиск темной материи. Короткий гамма-пик длительностью 1,7 дня позволил рассчитать массу компактной микролинзы порядка одной стомиллионной доли массы Солнца. Это дает независимое наблюдательное подтверждение существования первичных черных дыр или сгустков темной материи в гало далеких галактик.
4. Закономерность нейтринных источников. PKS 2233-148 стал уже третьим кандидатом в источники высокоэнергетических нейтрино (после блазаров TXS 0506+056 и PKS 1717+177), в котором обнаружены четкие признаки гравитационного линзирования.

Эта повторяемость указывает на важную закономерность в астрономии сверхвысоких энергий: гравитационная фокусировка электромагнитного излучения промежуточными массами повышает вероятность обнаружения и распознавания далеких внегалактических объектов, в которых происходят процессы генерации космических лучей и нейтрино. Комплексный анализ таких систем позволяет использовать далекие блазары для прямого изучения распределения и структуры невидимой материи во Вселенной.

Источник: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society