Астрономи з’ясували, що струмінь плазми, який виривається майже зі швидкістю світла з далекої надмасивної чорної діри, гравітаційно лінзується невидимою грудкою темної матерії. Як повідомляє Space Astronomy, це відкриття може пролити світло на джерела космічних «примарних» частинок — нейтрино.
Йдеться про надмасивну чорну діру, що живить особливий тип квазара — блазар. У всіх квазарів чорна діра оточена величезними масами речовини, якою вона «живиться». Частина цієї речовини не падає за горизонт подій, а спрямовується до полюсів чорної діри й викидається назовні у вигляді потужних плазмових струменів.
Блазари відрізняються від інших квазарів тим, що їхні струмені спрямовані майже точно в бік Землі. Саме такі об’єкти, зокрема блазар PKS 2233-148, давно вважаються можливими космічними прискорювачами частинок, які можуть викидати нейтрино.
Нейтрино отримали прізвисько «примарні» через те, що не мають електричного заряду й мають надзвичайно малу масу. Через це близько 100 трильйонів нейтрино пролітають крізь ваше тіло щосекунди, і ви цього не відчуваєте. Їх дуже складно зафіксувати й тим більше простежити до конкретного джерела. Гравітаційно лінзований блазар може допомогти в цьому пошуку й нарешті підтвердити, що саме блазари наповнюють Всесвіт цими «примарами».
«Ці великомасштабні струмені є космічними прискорювачами й можуть генерувати нейтрино. Ми вивчаємо їх, щоб знайти будь-які особливості, які допоможуть краще зрозуміти випромінювання нейтрино», — пояснила Сілке Брітцен (Silke Britzen) з Інституту радіоастрономії Макса Планка в Німеччині в коментарі для Phys.org.
Струмінь блазара змінює курс
PKS 2233-148 давно привертає увагу астрономів як кандидат на роль «відсутньої ланки» між нейтрино та струменями надмасивних чорних дір. Одна з його полярних джет-структур майже точно збігається з нашим променем зору із Землі, що робить цей об’єкт особливо цінним.
Брітцен і її колеги повторно проаналізували спостереження PKS 2233-148, виконані за допомогою радіоінтерферометра Very Long Baseline Array (VLBA) на Землі, космічного телескопа Fermi, який спостерігає у гамма-променях, а також рентгенівського інструмента на борту обсерваторії Swift.
Ці дані дозволили простежити, як змінювався рух струменя PKS 2233-148 з часом, і виявити раніше непомічені деталі. Зокрема, з’ясувалося, що струмінь раптово відхилився від очікуваної траєкторії.
«Ми дуже раді, що виявили досі невідомі явища як у самому струмені, так і в гамма-променевій світловій кривій», — зазначила Брітцен. Що ж могло спричинити таку «корекцію курсу» в космосі? Відповідь вказує на явище, передбачене Альбертом Ейнштейном ще 1915 року, і на невидиме скупчення найзагадковішої речовини Всесвіту — темної матерії.
Як працює гравітаційне лінзування
Поняття гравітаційного лінзування випливає з загальної теорії відносності Ейнштейна. Вона стверджує, що об’єкти з масою викривляють сам простір-час, подібно до того, як важка куля прогинає натягнуту гумову плівку. Гравітація — це прояв цього викривлення.
Чим більша маса об’єкта, тим сильніше він «прогинає» простір-час і тим потужніший його гравітаційний вплив. Коли світло проходить крізь таку викривлену область, його зазвичай пряма траєкторія згинається.
Якщо світло від далекого джерела проходить повз масивний об’єкт на передньому плані, цей об’єкт діє як гравітаційна лінза: світло може приходити до наших телескопів різними шляхами й у різний час, а саме джерело виглядає збільшеним або навіть «розмноженим» на кілька зображень.
У випадку PKS 2233-148 лінзується не саме ядро блазара, а його струмінь. Водночас на небі не видно жодної достатньо масивної галактики чи скупчення галактик у потрібному місці, які могли б виконувати роль лінзи. Це залишає варіант об’єкта, який взагалі не випромінює світла. Ідеально підходить темна матерія.
Невидима лінза з темної матерії
Темна матерія фактично невидима, оскільки не взаємодіє безпосередньо з електромагнітним випромінюванням. Вона не випромінює світло, і світло не відбивається від неї. Тому навіть достатньо велике скупчення темної матерії, здатне діяти як гравітаційна лінза, не можна побачити безпосередньо.
Однак це не означає, що світло не реагує на викривлення простору, створене темною матерією, — воно поводиться так само, як і в полі тяжіння звичайної матерії, наприклад зірок чи галактик.
Як і в будь-якій системі гравітаційного лінзування, ефект для струменя PKS 2233-148, спричинений грудкою темної матерії, потребує дуже точної просторової конфігурації. Це означає, що явище тимчасове й спостерігається лише протягом обмеженого періоду.
«Оскільки це короткочасні явища, їх важко виявити. Вперше ми знайшли лінзування, яке може вказувати на субструктуру темної матерії», — сказала Брітцен.
Тепер команда сподівається знайти інші подібні випадки гравітаційного лінзування струменів блазарів. Це допоможе краще зрозуміти, як саме ці об’єкти можуть бути «фабриками» нейтрино, а також дасть додаткові підказки про розподіл і дрібномасштабну структуру темної матерії у Всесвіті.
Результати дослідження опубліковані 31 липня в журналі Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.