Сорокалетние наблюдения блазара Тон 599, удаленного от Земли на 4,7 миллиарда световых лет, позволили астрофизикам выявить закономерность в его хаотичных вспышках. Результаты исследования опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Сверхмассивная черная дыра с релятивистским джетом, направленным прямо на нас, демонстрирует переменность, которую ранее считали стохастической.
Но, собрав данные за четыре десятилетия в радио-, оптическом и гамма-диапазонах, исследователи обнаружили устойчивую квазипериодичность.
Главные мысли за 1 минуту
- Блазар Тон 599 находится на расстоянии 4,7 млрд световых лет, его джет направлен на Землю, что усиливает излучение в сотни раз.
- Анализ временных рядов за 1983–2025 годы выявил два набора повторяющихся циклов: 1,4–1,7 года и 6,5–7,5 года.
- Причина — двойная сверхмассивная черная дыра: компоненты с массами 1,4×10⁸ и 3,6×10⁸ M☉ обращаются вокруг общего центра.
- Короткие периоды объясняются орбитальным движением, длинные — прецессией джета, как у волчка.
- Вспышки в разных диапазонах коррелированы с задержками до 360 дней, что доказывает единый источник частиц.
40 лет наблюдений: от хаоса к структуре
Тон 599 — один из немногих блазаров, зафиксированных в ТэВ-диапазоне, с богатейшей историей вспышек с конца 1970-х годов. Авторы работы обработали радиоданные на частотах 1–230 ГГц с телескопов РАТАН-600, РТ-32, РТ-22 и других, оптические измерения в R-полосе и 17-летний ряд гамма-данных обсерватории Fermi-LAT.
«Большая часть радиоданных публикуется впервые», — отметила Юлия Сотникова, заместитель директора САО РАН по научной работе, руководитель исследования. Перекрестный анализ методом дискретной корреляционной функции показал: гамма-, оптическое и радиоизлучения высоко коррелированы с временными задержками от нуля до 360 дней. Это означает, что все три вида излучения генерируются одной популяцией частиц в джете.
Для поиска периодических компонент применили два независимых метода: классическую периодограмму Ломба — Скаргла (LS) и весовое вейвлет Z-преобразование (WWZ). Каждую найденную компоненту проверяли моделированием синтетических кривых блеска, чтобы отсеять ложные сигналы из-за «красного шума».
Двойная черная дыра и прецессирующий джет
Выявлены устойчивые квазипериодические компоненты с характерными значениями 1,4 и 1,7 года (краткосрочные) и 6,5 и 7,5 года (долгосрочные). Те же периоды прослеживаются в исторических рядах 1997–2011 годов, что говорит о стабильности механизма на масштабах десятилетий.
Чтобы объяснить многомасштабную квазипериодичность, астрофизики построили модель двойной сверхмассивной черной дыры с прецессирующим джетом. В центре активной галактики находятся две черные дыры: более легкая (около 1,4×10⁸ масс Солнца) и более массивная (около 3,6×10⁸). Их орбитальное движение вызывает периодический прилив в джете, а гравитационные взаимодействия заставляют джет медленно «кружиться» вокруг оси.
Модель предсказывает орбитальные периоды от 1,2 до 1,7 года и периоды прецессии от 5,8 до 7,7 года — в замечательном согласии с наблюдаемыми значениями. Зависимость параметров подгонки от частоты указывает на стратифицированную структуру джета: излучение на разных частотах рождается в разных зонах вдоль его оси, и сигнал приходит с различными фазами.
«Сорок лет систематических многоволновых наблюдений — это тот фундамент, без которого подобный результат был бы попросту невозможен, — подчеркнула Юлия Сотникова. — Переменность блазаров обманчива: красный шум легко имитирует ложную периодичность, поэтому каждую компоненту мы проверяли двумя методами и моделированием».
Краткосрочные вспышки и особенно яркие выбросы энергии авторы связывают с ударными волнами внутри джета — стохастической компонентой, наложенной поверх регулярного квазипериодического фона.
Космическая лаборатория для гравитационно-волновой астрономии
Открытие вписывается в программу поиска и верификации двойных сверхмассивных черных дыр. При слиянии галактик две центральные черные дыры сближаются и образуют гравитационно-связанную пару, испускающую низкочастотные гравитационные волны.
«Тон 599 наблюдается уже полвека, но только сейчас, собрав данные десяти телескопов за четыре десятилетия и применив современные методы анализа, мы смогли увидеть за хаосом вспышек строгую архитектуру, — прокомментировал Александр Попков, научный сотрудник лаборатории фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ. — Картина двойной черной дыры с прецессирующим джетом объясняет и краткосрочные, и долгосрочные периодические компоненты в рамках единой физической модели».
Блазар становится полигоном для отработки инструментов, которые позволят «прослушивать» Вселенную не только в электромагнитном, но и в гравитационно-волновом диапазоне. Как добавила Сотникова, «по измеренным электромагнитным периодам можно будет изучать взаимодействие двух сверхмассивных черных дыр».
В работе участвовали сотрудники Специальной астрофизической обсерватории РАН, Санкт-Петербургского государственного университета, МФТИ, Крымской астрофизической обсерватории, Пулковской обсерватории, Института прикладной астрономии РАН, а также астрофизики из Китая (Синьцзянская, Шанхайская, Гуйчжоуская обсерватории) и Германии (Институт радиоастрономии имени Макса Планка). Наблюдения поддержало Министерство науки и высшего образования РФ.