Российские и немецкие астрофизики подтвердили возможности «Радиоастрона»

• 
• Поляризация

Рисунок заимствован из цитированной статьи. Цветом показан уровень интенсивности, штрихами — направление электрического вектора линейной поляризации. Наиболее яркая область является видимым началом релятивистской струи и расположена вблизи центральной сверхмассивной черной дыры далекого исследованного квазара

Отчетом об исследовании, представленном для публикации в международном научном журнале Astronomy & Astrophysics, российские астрофизики и их немецкие коллеги полностью подтвердили возможности самого масштабного астрономического прибора в мире. «Чем эта работа интересна — она знаменует собой успешное начало исследования интерферометром „Радиоастрон“ поляризации излучения космических объектов», — пояснил в интервью STRF один из авторов работы, руководитель научной программы проекта «Радиоастрон», доктор физико-математических наук Юрий Юрьевич Ковалев.

Излучение и его поляризация

Чтобы понять, о чем идет речь, вспомним школьный курс физики. Еще с тех времен мы помним, что электромагнитное излучение, в том числе радиоизлучение, — это волна. Векторы ее электрического и магнитного поля колеблются случайным образом, перпендикулярно направлению распространения волны. А вот у полностью поляризованной волны эти колебания происходят лишь в определенных направлениях — вертикальном или горизонтальном, или вращаясь по кругу.

Солнечный свет неполяризован и колеблется хаотически во всех направлениях. Но он обретает поляризацию, отражаясь от предметов и даже просто рассеиваясь в атмосфере. Стекло современных солнцезащитных очков представляет собой поляризационный фильтр, пропускающий лишь свет определенной поляризации. Отсекая остальные, они ослабляют яркость освещения для нашего глаза.

Человеческое зрение «слепо» к направлению поляризации, но вот некоторые другие животные — например, пчелы — различают ее наряду с цветом (длиной волны) излучения или его яркостью. Это создает еще одно дополнительное «измерение» в том потоке зрительной информации, которую они получают о мире. То же касается и астрономических наблюдений: измерение поляризации излучения от космического объекта дает еще один канал информации о его физических свойствах.

— Приведем пару примеров, — говорит Юрий Ковалев. — Далекие активные галактики испускают так называемое синхротронное излучение. (Синхротронным называется излучение заряженных частиц, движущихся с околосветовыми скоростями, по траекториям, искривленным внешним магнитным полем — Ред.) Зная направление его линейной поляризации, мы можем сделать выводы о направлениях магнитного поля в объекте. Иначе говоря, информация о направлении линейной поляризации излучения активных галактик — это единственный известный нам способ изучить структуру их магнитного поля. А ведь магнитные поля этих активных объектов — едва ли не важнейший аспект всего происходящего в них и с ними.

— Другой пример связан с таким эффектом, как Фарадеевское вращение, — добавляет Юрий Ковалев, — иначе говоря, с поворотом плоскости линейной поляризации излучения при его прохождении сквозь плазму. Наблюдение этого вращения позволяет — в дополнение к информации о направлении магнитного поля — узнать и его величину.

Галактики их ядра

По современным представлениям, ядро любой крупной галактики — место весьма неспокойное, и наш Млечный Путь здесь не исключение. Черная дыра, расположенная в их центре, может достигать массы в миллионы и миллиарды масс Солнца. Активно притягивая и поглощая всю окружающую материю, она приводит к развитию целого ряда сложных и высокоэнергетических процессов.

Такие сверхмассивные черные дыры окружены вращающимся аккреционным диском из пыли и газа. Считается, что около 10% вещества, падающего на черную дыру из диска, перерабатывается и выбрасывается наружу в виде мощных и узких релятивистских струй (джетов) очень быстрых частиц (в основном, протонов или электронов), достигающих почти световой скорости.

— Говоря о ядре активной галактики, стоит понимать, что имеется в виду область начала релятивистской струи, находящаяся очень близко к центральной сверхмассивной черной дыре, — поясняет Юрий Ковалев. — Область зарождения этой струи мы можем наблюдать в радиодиапазоне, а с «Радиоастроном» — еще и в экстремально высоком разрешении.

Данные о поляризации излучения, которое исходит от ядер активных галактик, позволяют исследовать структуру и напряженность их магнитного поля. Причем чем меньше длина волны, на которой мы ведем наблюдения, и чем больше разрешение наших инструментов — тем ближе к «центральной машине» черной дыры мы можем подойти.

— Надо понимать, что измерения поляризации примерно в сто раз сложнее, чем полного излучения, — добавляет Юрий Ковалев, — просто потому что линейно поляризованным является лишь несколько процентов всей интенсивности потока излучения.

Телескоп и его база

Именно о таких наблюдениях поляризации активных ядер галактик рапортовали недавно российские ученые совместно с коллегами из Германии. Работа стала первой, проведенной в рамках проекта «Радиоастрон». Строго говоря, этот уникальный инструмент является наземно-космическим радиоинтерферометром со сверхдлинной базой (РСДБ) — прибором, позволяющим получить самое высокое угловое разрешение за всю историю астрономии.

Это своего рода виртуальный телескоп, антенна которого намечена лишь несколькими крайними «точками» — радиотелескопами обсерваторий на трех континентах Земли, и космическим аппаратом «Спектр-Р», находящимся на орбите высотой до 340 тыс. км. Работа всех элементов системы координируется, и после обработки совместно собранных данных они позволяют восстановить картину с невероятным разрешением, имитируя телескоп, размеры которого равны максимальному расстоянию между исходными телескопами РСДБ.

— Аналогичные наземно-космические интерферометры, хотя и со значительно меньшими базами, реализовывались раньше США и Японией. Но до сих пор поляризацию изучать ни один подобный инструмент не мог — на борту их спутников не имелось необходимого оборудования. Поэтому такие исследования стали первыми, уникальными не только для «Радиоастрона», но для всей области, — объясняет Юрий Ковалев. — Нам надо было убедиться в том, что техника работает штатно в реальных условиях и позволяет вести подобные эксперименты.

Поэтому статья, направленная в журнал Astronomy & Astrophysics, стала отчетом не только о самой исследовательской работе, но и о хорошем техническом состоянии аппаратуры «Спектра-Р», позволяющей проводить поляризационные измерения. Длина волны для наблюдений была выбрана в 18 см, на ней чувствительность «Радиоастрона» максимальна. Объектом же стал далекий квазар 0642+449. Он находится на красном смещении 3.4, на расстоянии более 10 млрд световых лет.

— Исследовать особенно далекие квазары интересно еще и тем, что длина волны, на которой мы его наблюдаем, больше, чем испущенная — в нашем случае, в 4.4 раза. То есть, первоначально излучение имело длину волны около 4 см. А ведь чем меньше длина волны излучения — тем ближе к «центральной машине» мы можем заглянуть, — объясняет Юрий Ковалев.

Наблюдения 0642+449, проведенные с помощью проекта «Радиоастрон», позволили получить первую карту его магнитного поля с экстремальным угловым разрешением. «Структура магнитного поля в основании джета оказалась продольной, — говорит Юрий Ковалев, — то есть, силовые линии поля сонаправлены выбросу». Эти результаты позволяют уточнить физическую модель релятивистской струи в далеком квазаре.

Юрий Ковалев резюмирует: «Поляризационные исследования ядер галактик являются одной из ключевых научных задач проекта „Радиоастрон“. Этой работой мы открываем данное направление. Следующий шаг — уход на самую короткую длину волны 1.3 см. Первые полученные результаты оказались крайне занимательными. Но об этом — в следующий раз».

Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.