Чёрная дыра включала свои джеты четыре раза – астрономы увидели следы каждой вспышки

Сверхмассивная чёрная дыра может казаться почти вечным двигателем: вещество падает к ней, вокруг формируется аккреционный диск, а из окрестностей ядра вырываются гигантские релятивистские джеты. В действительности активность галактического ядра способна включаться и прекращаться, оставляя в окружающем пространстве своеобразные окаменелости из плазмы. Теперь астрономы нашли необычайно яркий пример такой космической памяти. Радиогалактика J023721.13−010528.5, по предварительным данным, пережила не один, не два и даже не три, а четыре отдельных эпизода запуска джетов.

Объект расположен в массивной эллиптической галактике с красным смещением 0,372. Исследователи объединили наблюдения модернизированного Giant Metrewave Radio Telescope, MeerKAT и Very Large Array Sky Survey, полученные на разных радиочастотах. В результате по обе стороны от центрального ядра проявились четыре парные структуры, обозначенные N1–N4 и S1–S4. Их симметричное расположение относительно центра сразу подсказало необычную возможность: перед нами могут находиться следы нескольких последовательных поколений джетов.

Чтобы понять значение открытия, полезно представить жизненный цикл радиогалактики. Когда сверхмассивная чёрная дыра активно поглощает вещество, часть энергии системы направляется в два противоположных потока плазмы. Они пробиваются через окружающую среду и заканчиваются яркими радиогорячими точками, где джет взаимодействует с внешним газом. У мощных радиогалактик класса FR II такие структуры способны растягиваться на сотни тысяч и даже миллионы световых лет.

Но питание чёрной дыры может меняться. Если поступление вещества уменьшается или структура аккреционного потока перестраивается, джеты способны ослабнуть или исчезнуть. Через некоторое время активность может возобновиться, и новая пара потоков начинает прокладывать путь внутри старой радиоструктуры. Поэтому разные поколения джетов оказываются расположены подобно вложенным следам: самые молодые ближе к ядру, самые старые – дальше.

Такие объекты уже известны. Радиогалактики с двумя последовательными парами структур называют double-double radio galaxies, и их обнаружено около двух сотен. Значительно реже встречаются системы, где различимы три поколения активности. А J023721.13−010528.5 может стать первым убедительным примером quadruple-double radio galaxy – галактики, сохранившей четыре последовательных эпизода работы центрального двигателя.

Но четыре пары ярких областей сами по себе ещё не доказывают четыре перезапуска. Один непрерывный джет тоже может содержать узлы повышенной яркости, возникающие из-за ударных волн или неоднородностей потока. Поэтому исследователям пришлось проверить, действительно ли структуры представляют разные поколения. Ключевой подсказкой стал их возраст: если это случайные узлы одного действующего джета, их радиоспектры должны стареть примерно сходным образом, тогда как последовательные вспышки должны образовать закономерность – чем дальше структура от ядра, тем она старше.

Именно такую картину и обнаружили. Спектральные оценки дали возраст приблизительно от 4,5 до 20,5 миллиона лет, причём более удалённые пары оказались систематически старше внутренних. Радиоизлучение стареет потому, что релятивистские электроны постепенно теряют энергию, прежде всего посредством синхротронного излучения и взаимодействия с фоновыми фотонами. Изменение формы спектра поэтому работает как своеобразные космические часы, позволяя оценивать время, прошедшее с момента ускорения частиц.

Авторы дополнительно оценили кинематический возраст структур, используя расстояние от ядра и предполагаемую скорость распространения джета. Независимые способы оценки поддержали последовательный сценарий, хотя данные неодинаково качественны для двух сторон галактики. Южная сторона значительно слабее, особенно структура S3, поэтому связанные с ней параметры имеют большую неопределённость. Это важное ограничение: работа пока представляет собой препринт arXiv и должна пройти независимую рецензионную проверку.

Исследователи также провели статистическое сравнение сценариев. По их расчётам, интерпретация трёх внутренних пар как отдельных эпизодов активности примерно в три миллиона раз вероятнее модели, в которой наблюдаемые образования являются случайными узлами одного непрерывного джета. Вместе с возрастной последовательностью это стало главным аргументом в пользу четырёх поколений активности.

Но у галактики обнаружилась ещё одна особенность. Каждое следующее поколение джетов направлено немного иначе. Относительно внутренней пары оси последующих структур последовательно смещаются примерно на 7°, 16° и 24°. В результате вся радиогалактика приобретает огромную S-образную форму.

Такое постепенное изменение направления может означать, что ось, вдоль которой центральная система запускает джеты, со временем менялась. Причиной потенциально может быть прецессия аккреционной системы или другое долговременное изменение ориентации центрального двигателя. Наблюдаемая геометрия сама по себе не определяет конкретный физический механизм, но показывает, что между эпизодами активности менялась не только мощность джетов, но и направление их распространения.

Масштаб системы впечатляет даже по меркам радиогалактик. Её протяжённость оценивается примерно в 3,9 миллиона световых лет – почти в 40 раз больше диаметра звёздного диска Млечного Пути. Авторы называют объект вторым по размеру среди известных гигантских S-образных радиоисточников. При этом видимые звёзды самой галактики занимают лишь небольшую центральную область, тогда как следы активности её чёрной дыры простираются далеко в межгалактическое пространство.

Именно гигантские S-образные радиогалактики теперь могут оказаться перспективным местом для поиска других многократно перезапускавшихся систем. Большой размер позволяет старым поколениям радиоплазмы пространственно отделиться от новых, а изменение направления джетов помогает различить последовательные структуры. То, что в более компактном объекте выглядело бы как запутанный набор радиопятен, на масштабе миллионов световых лет превращается в читаемую историю.

Почему чёрная дыра должна включаться четыре раза, остаётся отдельным вопросом. Активность галактического ядра зависит от поступления газа к центральной области, состояния аккреционного диска и динамической истории самой галактики. Возмущения, слияния, нестабильность аккреционного потока и изменения подачи вещества способны создавать циклы активности и покоя. Если интерпретация J023721.13−010528.5 подтвердится, объект предоставит редкую возможность исследовать такие циклы не косвенно, а по четырём сохранившимся поколениям одного и того же процесса.

В этом и заключается главная ценность открытия. Мы не можем наблюдать одну сверхмассивную чёрную дыру на протяжении двадцати миллионов лет, но окружающее пространство делает это за нас. Каждая вспышка оставляет огромный радиослед, который стареет значительно медленнее человеческой цивилизации. В результате единственный современный снимок способен показать сразу несколько эпох жизни галактического ядра – словно четыре последовательных кадра космического фильма, разделённых миллионами лет.