Чёрная дыра направила джет почти на Землю: в Млечном Пути нашли микроблазар

Примерно в 12 тысячах световых лет от Земли находится чёрная дыра, выбрасывающая поток вещества почти в нашу сторону. Звучит угрожающе, но опасности для Земли нет. Гораздо интереснее другое: астрономы получили наиболее убедительный пример давно предсказанного микроблазара в Млечном Пути, а противоположный джет этой системы может быть связан с одним из мощнейших естественных ускорителей частиц в Галактике.

Объект называется IRAS 18293−0941. Это двойная система, в которой компактный объект, интерпретируемый как чёрная дыра, взаимодействует с горячей массивной звездой. Орбитальный период составляет около 11,38 суток. Вещество звезды попадает в область чёрной дыры, образует аккреционный поток, а часть материи выбрасывается наружу в виде двух противоположно направленных релятивистских джетов.

По модели исследователей, вещество в них движется примерно со скоростью 75% скорости света. Но самое необычное заключается в геометрии системы: один джет ориентирован сравнительно близко к направлению на Землю.

Именно поэтому объект называют микроблазаром. Обычные блазары находятся в далёких галактиках. В их центре расположена сверхмассивная чёрная дыра, один из джетов которой случайно направлен почти на наблюдателя. Благодаря релятивистским эффектам такой поток кажется особенно ярким.

Микроблазар должен работать по похожему принципу, только центральным двигателем служит чёрная дыра звёздной массы в двойной системе. Подобные объекты предполагались ещё несколько десятилетий назад, однако убедительно подтвердить подходящего кандидата в нашей Галактике долго не удавалось.

Самое удивительное, что IRAS 18293−0941 вовсе не был новым объектом. Инфракрасный спутник IRAS зарегистрировал источник ещё в 1983 году. Но система скрыта за огромным количеством межзвёздной пыли и в обычном оптическом диапазоне видна крайне плохо. Объект попал в каталоги, однако его истинная природа оставалась нераспознанной десятилетиями.

Разгадка потребовала объединить наблюдения практически во всём электромагнитном спектре. Астрономы изучали систему в оптическом, инфракрасном, радио-, рентгеновском и гамма-диапазонах. Особенно важными стали долговременные измерения блеска звезды: слабые периодические изменения помогли восстановить орбиту системы.

Затем появились радиоданные. Они показали компактный источник и выраженное одностороннее радиоизлучение, характерное для релятивистского джета. Европейская сеть радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами позволила рассмотреть источник с чрезвычайно высоким угловым разрешением.

В сочетании с астрометрическими данными Gaia это помогло решить принципиальную проблему: радиоисточник действительно связан со звёздной системой, а не является далёкой активной галактикой, случайно расположенной почти на той же линии зрения.

Почему же хорошо виден только один джет, если чёрная дыра должна выбрасывать два? Здесь работает релятивистский эффект Доплера. Излучение потока, движущегося в сторону наблюдателя с околосветовой скоростью, усиливается. Противоположный джет, удаляющийся от нас, наоборот, становится значительно тусклее.

Но невидимый не означает несуществующий. И именно второй джет делает историю IRAS 18293−0941 особенно интересной.

Наблюдения MeerKAT обнаружили огромную радиоструктуру, простирающуюся примерно на 100 световых лет. Она показывает, как поток энергии из компактной двойной системы взаимодействует с окружающей межзвёздной средой. На большом расстоянии джет сталкивается с более плотным веществом и создаёт яркую область взаимодействия.

Так возникает гигантский природный эксперимент. В центре находится чёрная дыра с аккреционным потоком, дальше тянется релятивистский джет, а в десятках световых лет от него располагается своеобразная космическая мишень.

Когда быстрый поток врезается в межзвёздное вещество, возникают ударные волны и турбулентные магнитные поля. В подобных условиях заряженные частицы могут многократно получать дополнительную энергию. Именно такие процессы рассматриваются как возможный механизм рождения галактических космических лучей экстремальных энергий.

В той же области неба обсерватории высоких энергий зарегистрировали гамма-излучение, включая источник LHAASO J1831−1007u*. Модель допускает связь этого излучения с джетом IRAS 18293−0941 и ускорением частиц вплоть до петаэлектронвольтного диапазона.

Один петаэлектронвольт равен 10¹⁵ электронвольт. Это огромная энергия для отдельной частицы. Фотоны, зарегистрированные в этой области, достигают энергий более 100 триллионов электронвольт, что превышает энергию отдельного протона в Большом адронном коллайдере более чем на порядок.

Но здесь необходимо отделить наблюдение от интерпретации. Само существование релятивистского джета и крупномасштабной структуры хорошо подкреплено данными. А вот утверждение, что именно этот микроблазар является источником конкретного сверхвысокоэнергетического гамма-излучения и разгоняет частицы до PeV, пока представляет физически согласованную модель, а не окончательно установленный факт.

Поэтому фраза «ускоритель мощнее Большого адронного коллайдера» требует пояснения. LHC создаёт контролируемые столкновения частиц и позволяет физикам точно измерять их продукты. Космический ускоритель не является его прямым аналогом. Он способен сообщать отдельным частицам гораздо большие энергии, но работает совершенно иначе и не предоставляет экспериментаторам управляемого пучка.

Тем не менее именно такие объекты могут помочь решить загадку, существующую более века. Землю постоянно бомбардируют космические лучи невероятно высоких энергий, но электрический заряд большинства этих частиц отклоняет их в галактических магнитных полях. Поэтому по направлению прилёта трудно определить, где они родились.

IRAS 18293−0941 предлагает редкую возможность увидеть сразу несколько частей предполагаемого механизма: компактный двигатель, релятивистский джет, его взаимодействие с окружающим газом и высокоэнергетическое излучение в той же области.

Не менее показательна история самого открытия. Объект находился в астрономических каталогах более сорока лет. Проблема заключалась не в полном отсутствии данных, а в невозможности правильно соединить их между собой. Понадобились новые радиоинтерферометрические возможности, точная астрометрия, многоволновые наблюдения и новый взгляд на старый источник.

Это характерная черта современной астрономии. Огромные архивы содержат объекты, смысл которых может стать понятен лишь спустя десятилетия, когда появляются новые инструменты или новая гипотеза. Иногда открытие означает не увидеть неизвестный объект впервые, а впервые понять, что именно мы всё это время видели.

Именно поэтому IRAS 18293−0941 интереснее очередного космического рекорда. Перед нами потенциальная лаборатория релятивистских джетов внутри собственной Галактики, расположенная несравнимо ближе далёких блазаров. Она позволяет исследовать, как чёрная дыра превращает падающее вещество в направленный поток энергии и как этот поток воздействует на межзвёздную среду.

Чёрная дыра действительно направляет один из своих джетов примерно в нашу сторону. Но главный сюрприз находится не в опасности для Земли, а в противоположном направлении: невидимый поток оставляет огромный след в окружающем газе и, возможно, показывает нам одну из фабрик самых энергичных частиц Млечного Пути.