Ένα γιγάντιο τηλεσκόπιο – οκτώ φορές το μέγεθος της Γης – αποκαλύπτει μια άνευ προηγουμένου άποψη ενός τεράστιου κοσμικού πίδακα

Ένα τηλεσκόπιο μεγαλύτερο από τη Γη βρήκε ένα σχοινί πλάσματος στο σύμπαν.

Χρησιμοποιώντας ένα δίκτυο ραδιοτηλεσκοπίων στη Γη και στο διάστημα, οι αστρονόμοι μπόρεσαν να τραβήξουν την πιο λεπτομερή εικόνα ενός πίδακα από… πλάσμα αίματος Σκοποβολή από σούπερ μάζα Μαύρη τρύπα Στην καρδιά ενός γαλαξία πολύ, πολύ μακριά.

Ο πίδακας, ο οποίος προέρχεται από έναν μακρινό λαμπερό πυρήνα που ονομάζεται 3C 279, ταξιδεύει με σχεδόν την ταχύτητα του φωτός και παρουσιάζει περίπλοκα μοτίβα συστροφής κοντά στην πηγή του. Αυτά τα μοτίβα αμφισβητούν την τυπική θεωρία που χρησιμοποιείται εδώ και 40 χρόνια για να εξηγήσει πώς αυτές οι ροές σχηματίζονται και αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου.

Σημαντική συμβολή στις παρατηρήσεις έγινε από το Ινστιτούτο Ραδιοαστρονομίας Max Planck στη Βόννη της Γερμανίας, όπου τα δεδομένα από όλα τα συμμετέχοντα τηλεσκόπια συνδυάστηκαν για να δημιουργήσουν ένα εικονικό τηλεσκόπιο με πραγματική διάμετρο περίπου 100.000 km.

Τα ευρήματά τους δημοσιεύτηκαν πρόσφατα στο Αστρονομία της φύσης.

Εικόνα 1: Πλεγμένα νήματα στο blazar 3C 279. Εικόνα υψηλής ανάλυσης του σχετικιστικού επιπέδου σε αυτήν την πηγή, όπως παρατηρείται από το RadioAstron. Η εικόνα αποκαλύπτει μια σύνθετη δομή σε επίπεδο με πολλά νημάτια μεγέθους parsec που σχηματίζουν ένα σπειροειδές σχήμα. Η συλλογή περιλαμβάνει δεδομένα από ραδιοτηλεσκόπια σε όλο τον κόσμο και από την τροχιά της Γης, συμπεριλαμβανομένου του ραδιοτηλεσκοπίου Effelsberg 100 μέτρων. Τα δεδομένα στη συνέχεια υποβλήθηκαν σε επεξεργασία στο Κέντρο Συσχέτισης του Ινστιτούτου Max Planck για τη Ραδιοαστρονομία. Πηγή: Συνεργασία NASA/DOE/FermiLAT. Flba/Jorstad et al.; Radio Astron/Fuentes et al

Ενόραση για τους Blazars

Τα μπλέιζερ είναι οι φωτεινότερες και ισχυρότερες πηγές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στο σύμπαν. Είναι μια υποκατηγορία ενεργών γαλαξιακών πυρήνων που περιλαμβάνει γαλαξίες με μια κεντρική υπερμεγέθη μαύρη τρύπα που συσσωρεύει ύλη από τον περιβάλλοντα δίσκο. Περίπου το 10% των ενεργών γαλαξιακών πυρήνων, που ταξινομούνται ως κβάζαρ, παράγουν σχετικιστικούς πίδακες πλάσματος. Οι βασάροι ανήκουν σε ένα μικρό κλάσμα κβάζαρ στα οποία μπορούμε να δούμε αυτούς τους πίδακες να κατευθύνονται σχεδόν απευθείας προς τον παρατηρητή.

Πρόσφατα, μια ομάδα ερευνητών, συμπεριλαμβανομένων επιστημόνων από το Ινστιτούτο Max Planck για Ραδιοαστρονομία (MPIfR) στη Βόννη της Γερμανίας, απεικόνισε την πιο εσωτερική περιοχή πίδακα στο blazar 3C 279 με άνευ προηγουμένου γωνιακή ανάλυση και ανακάλυψε εξαιρετικά κανονικά σπειροειδή νήματα που μπορεί να απαιτούν αναθεώρηση. μοντέλα που χρησιμοποιήθηκαν μέχρι τώρα για να εξηγήσουν τις διαδικασίες με τις οποίες παράγονται πίδακες σε ενεργούς γαλαξίες.

«Χάρη στο RadioAstron, τη διαστημική αποστολή στην οποία το ραδιοτηλεσκόπιο σε τροχιά έφτασε μέχρι τη Σελήνη, και ένα δίκτυο είκοσι τριών ραδιοτηλεσκοπίων που διανεμήθηκαν σε όλη τη Γη, αποκτήσαμε την εικόνα υψηλότερης ανάλυσης του εσωτερικού ενός πλανήτη. ” «Οι αστρικοί πίδακες που ρέουν μέχρι τώρα μας επιτρέπουν να παρατηρήσουμε την εσωτερική δομή των πίδακα με τέτοια λεπτομέρεια για πρώτη φορά», λέει ο Antonio Fuentes, ερευνητής στο Ανδαλουσιανό Αστροφυσικό Ινστιτούτο (IAA-CSIC) στη Γρανάδα της Ισπανίας, ο οποίος ηγείται η δουλειά.

Θεωρητικές επιπτώσεις και προκλήσεις

Το νέο παράθυρο στο σύμπαν που άνοιξε η αποστολή RadioAstron αποκάλυψε νέες λεπτομέρειες για τον πίδακα πλάσματος του 3C 279, έναν πυρακτωτή με μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα στον πυρήνα του. Ο πίδακας περιέχει τουλάχιστον δύο στριμμένα νημάτια πλάσματος που εκτείνονται σε απόσταση μεγαλύτερη από 570 έτη φωτός από το κέντρο.

“Είναι η πρώτη φορά που έχουμε δει τέτοια νημάτια τόσο κοντά στην πηγή των πίδακα, και μας λέει περισσότερα για το πώς η μαύρη τρύπα σχηματίζει το πλάσμα. Η εισροή έχει επίσης παρατηρηθεί από δύο άλλα τηλεσκόπια, το GMVA και το EHT. σε πολύ μικρότερα μήκη κύματος (3,5 χιλιοστά και 1,3 χιλιοστά), αλλά δεν μπορούσαν να ανιχνεύσουν τις νηματοειδείς φιγούρες επειδή ήταν πολύ αχνές και πολύ μεγάλες για αυτήν την ανάλυση», λέει ο Eduardo Ros, μέλος της ερευνητικής ομάδας και Ευρωπαίος προγραμματιστής για το GMVA. «Αυτό δείχνει πώς διαφορετικά τηλεσκόπια μπορούν να αποκαλύψουν διαφορετικά χαρακτηριστικά του ίδιου αντικειμένου», προσθέτει.

Εικόνα 2: Η παρατήρηση RadioAstron VLBI παρέχει ένα εικονικό τηλεσκόπιο έως και οκτώ φορές τη διάμετρο της Γης (μέγιστη γραμμή βάσης 350.000 km). Πίστωση: Roscosmos

Οι πίδακες πλάσματος που προέρχονται από τα μπλέιζερ δεν είναι πραγματικά ίσιοι και ομοιόμορφοι. Δείχνουν τις στροφές και τις στροφές που απεικονίζουν πώς το πλάσμα επηρεάζεται από τις δυνάμεις που περιβάλλουν τη μαύρη τρύπα. Οι αστρονόμοι που μελετούν αυτές τις συστροφές στο 3C279, που ονομάζονται σπειροειδή νήματα, ανακάλυψαν ότι προκαλούνται από αστάθειες που συμβαίνουν στο πλάσμα του πίδακα. Στην πορεία, συνειδητοποίησαν επίσης ότι η παλιά θεωρία που χρησιμοποιούσαν για να εξηγήσουν πώς αλλάζουν οι ροές με την πάροδο του χρόνου δεν ίσχυε πλέον. Ως εκ τούτου, χρειάζονται νέα θεωρητικά μοντέλα που μπορούν να εξηγήσουν πώς αυτά τα σπειροειδή νημάτια σχηματίζονται και εξελίσσονται κοντά στην αρχή του πίδακα. Αυτή είναι μια μεγάλη πρόκληση, αλλά και μια εξαιρετική ευκαιρία να μάθετε περισσότερα για αυτά τα εκπληκτικά κοσμικά φαινόμενα.

«Μια ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα πτυχή που προκύπτει από τα αποτελέσματά μας είναι ότι υποδεικνύουν την παρουσία ενός ελικοειδούς μαγνητικού πεδίου που περιορίζει τη ροή», λέει ο Guang-Yao Zhao, επί του παρόντος συνδεδεμένος με το MPIfR και μέλος της ομάδας επιστημόνων. «Ως εκ τούτου, το μαγνητικό πεδίο, που περιστρέφεται δεξιόστροφα γύρω από τον πίδακα στο 3C 279, θα μπορούσε να καθοδηγεί και να κατευθύνει το πλάσμα του πίδακα που κινείται με ταχύτητα 0,997 φορές την ταχύτητα του φωτός».

«Παρόμοια σπειροειδή νημάτια έχουν παρατηρηθεί σε εξωγαλαξιακούς πίδακες στο παρελθόν, αλλά σε πολύ μεγαλύτερες κλίμακες, όπου πιστεύεται ότι προκαλούνται από διαφορετικά μέρη του πίδακα που κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες και κόβονται μεταξύ τους», προσθέτει ο Andrei Lobanov, άλλος επιστήμονας του MPIfR. ομάδα ερευνητών. . «Με αυτή τη μελέτη, εισερχόμαστε σε εντελώς νέο έδαφος στο οποίο αυτά τα νήματα μπορούν πραγματικά να συνδεθούν με πιο περίπλοκες διαδικασίες στην άμεση γειτνίαση με τη μαύρη τρύπα που παράγει τους πίδακες».

Η μελέτη της εσωτερικής ροής στο 3C279, που εμφανίζεται τώρα στο τελευταίο τεύχος του Nature Astronomy, επεκτείνει τη συνεχιζόμενη αναζήτηση για την καλύτερη κατανόηση του ρόλου των μαγνητικών πεδίων στον αρχικό σχηματισμό σχετικιστικών εκροών από ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες. Τονίζει τις πολλές προκλήσεις που απομένουν για την τρέχουσα θεωρητική μοντελοποίηση αυτών των διεργασιών και καταδεικνύει την ανάγκη για περαιτέρω βελτίωση των ραδιοαστρονομικών οργάνων και τεχνικών που παρέχουν μια μοναδική ευκαιρία απεικόνισης μακρινών κοσμικών αντικειμένων σε τυπική γωνιακή ανάλυση.

Τεχνολογική πρόοδος και συνεργασία

Χρησιμοποιώντας μια ειδική τεχνική που ονομάζεται Very Long Baseline Interferometry (VLBI), δημιουργείται ένα εικονικό τηλεσκόπιο με ενεργή διάμετρο ίση με τη μέγιστη απόσταση μεταξύ των κεραιών που εμπλέκονται στην παρατήρηση συνδυάζοντας και συσχετίζοντας δεδομένα από διαφορετικά ραδιοπαρατηρητήρια. Ο επιστήμονας του προγράμματος RadioAstron Yuri Kovalev, τώρα στο MPIfR, τονίζει τη σημασία της διεθνούς συνεργασίας στον τομέα της υγείας για την επίτευξη τέτοιων αποτελεσμάτων: «Αστεροσκοπεία από δώδεκα χώρες έχουν συγχρονιστεί με τη διαστημική κεραία χρησιμοποιώντας ρολόγια υδρογόνου, σχηματίζοντας ένα εικονικό τηλεσκόπιο στο μέγεθος της απόστασης από τη Γη. ” φεγγάρι.”

«Τα πειράματα με το RADIOASTRON που οδήγησαν σε εικόνες σαν αυτή του κβάζαρ 3C279 είναι εξαιρετικά επιτεύγματα που έγιναν δυνατά μέσω διεθνών επιστημονικών συνεργασιών παρατηρητηρίων», λέει ο Anton Zinsos, διευθυντής του MPIfR και μία από τις κινητήριες δυνάμεις πίσω από την αποστολή RadioAstron τις τελευταίες δύο δεκαετίες. Και επιστήμονες σε πολλές χώρες. Η αποστολή χρειάστηκε δεκαετίες κοινού σχεδιασμού πριν από την εκτόξευση του δορυφόρου. Η λήψη των πραγματικών εικόνων γίνεται εφικτή με τη σύνδεση μεγάλων τηλεσκοπίων στο έδαφος όπως το Eifelsberg και μέσω προσεκτικής ανάλυσης των δεδομένων στο κέντρο σύνδεσης VLBI στη Βόννη.

Αναφορά: «Νεαματικές δομές ως η προέλευση της ανισοτροπίας ραδιοείδας» των Antonio Fuentes, Jose L. Gomez, José M. Martí, Manel Perocho, Guang Yao Zhao, Rocco Lecco, Andre P. Kovalev, Andrew Chell, Kazunori Akiyama, Katherine Bowman, He Sun, Ilji Zhu, Eftalia Traiano, Teresa Toscano, Rohan Dahalli, Marianna Fuschi, Leonid I. Gurvits, Svetlana Jorstad, Jae-Young Kim, Alan B. Marcher, Yusuke. Mizuno, Eduardo Ros και Tuomas Savolainen, 26 Οκτωβρίου 2023, Αστρονομία της φύσης.
doi: 10.1038/s41550-023-02105-7

Περισσότερες πληροφορίες

Η αποστολή ραδιοσυμβολομέτρων Γη-Διάστημα, που δραστηριοποιήθηκε από τον Ιούλιο του 2011 έως τον Μάιο του 2019, αποτελείται από ένα ραδιοτηλεσκόπιο 10 μέτρων σε τροχιά (Spektr-R) και μια σειρά από περίπου δύο δωδεκάδες από τα μεγαλύτερα επίγεια ραδιοτηλεσκόπια στον κόσμο, συμπεριλαμβανομένων το ραδιοτηλεσκόπιο Effelsberg 100 μέτρα. Όταν τα σήματα των μεμονωμένων τηλεσκοπίων συνδυάστηκαν χρησιμοποιώντας συμβολομετρία ραδιοκυμάτων, αυτή η ομάδα τηλεσκοπίων παρείχε μέγιστη γωνιακή ανάλυση ισοδύναμη με ένα ραδιοτηλεσκόπιο διαμέτρου 350.000 χιλιομέτρων – περίπου την απόσταση μεταξύ Γης και Σελήνης. Αυτό καθιστά το RadioAstron το όργανο με την υψηλότερη γωνιακή ανάλυση στην ιστορία της αστρονομίας. Το έργο RadioAstron ηγήθηκε από το Κέντρο Διαστημικής Αστρονομίας του Ινστιτούτου Φυσικής Αστρονομίας Lebedev της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών και της Επιστημονικής Εταιρείας Lavochkin και παρήχθη στο πλαίσιο σύμβασης με την κρατική διαστημική εταιρεία ROSCOSMOS, σε συνεργασία με οργανισμούς εταίρους στη Ρωσία και σε άλλες χώρες. Τα αστρονομικά δεδομένα για αυτήν την αποστολή αναλύονται από μεμονωμένους επιστήμονες σε όλο τον κόσμο, οδηγώντας σε αποτελέσματα όπως αυτά που παρουσιάζονται εδώ.

Οι ακόλουθοι συνεργάτες στο έργο που υποβλήθηκε ανήκουν στο MPIfR, κατά σειρά εμφάνισης στη λίστα συγγραφέων: Guang-Yao Zhao, Andrei P. Lobanov, Yuri Y. Kovalev, Efthalia (Thalia) Traianou, Jae-Young Kim, Eduardo Ros, και Τουόμας Σαβολάινεν. Οι συνεργάτες Rocco Lecco και Gabriele Bruni ήταν επίσης συνδεδεμένοι με το MPIfR κατά την περίοδο της αποστολής του RadioAstron.

Γιούρι Υ. Ο Kovalev αναγνωρίζει το Ερευνητικό Βραβείο Friedrich Wilhelm Bessel του Ιδρύματος Alexander von Humboldt.