Кредит зображення: Чандра
Уявіть, що зробити природний телескоп потужнішим, ніж будь-який інший телескоп, який зараз працює. Тоді уявіть, як використовувати його для перегляду ближче до краю чорної діри, де її рот - це як струмінь, який утворює надгорячі заряджені частинки і викидає їх у космос мільйони світлових років. Це завдання, здавалося б, здійснити одну до краю неповернення, жорстокої плями за чотири мільярди світлових років від Землі. Це місце називають квазаром на ім'я PKS 1257-326. Її слабке мерехтіння в небі дається більш привабливою назвою «блазар», тобто це квазар, який різко змінюється по яскравості, і може замаскувати ще більш загадкову, внутрішню чорну діру величезної сили гравітації.
Довжина телескопа, необхідна, щоб зазирнути до гирла блазара, повинна бути гігантською, шириною близько мільйона кілометрів. Але саме таку природну лінзу знайшла команда австралійських та європейських астрономів; його лінза дивовижно, хмара газу. Ідея величезного природного телескопа здається занадто елегантною, щоб уникнути зазирнення.
Техніка, що отримала назву "Синтез орбіти Землі", вперше була викладена доктором Жаном-П'єром Макквартом з Університету Гронінген в Нідерландах і доктором ЦДІРО Д-ром Джансі в публікації, опублікованій в 2002 році. Нова методика обіцяє дослідникам можливість вирішувати деталі приблизно 10 мікросекундних секунд - еквівалент бачити куб цукру на Місяці від Землі.
«Це в сто разів тонше, ніж ми можемо побачити будь-яку іншу сучасну техніку в астрономії», - каже доктор Хейлі Біґналл, яка нещодавно закінчила докторську ступінь в університеті Аделаїди і зараз знаходиться в JIVE, Об'єднаному інституті дуже тривалої інтерферометрії в Європі. "Це в десять тисяч разів краще, ніж може зробити космічний телескоп Хаббл. І це настільки ж потужно, як і будь-які запропоновані майбутні космічні оптичні та рентгенівські телескопи. "
Bignall зробив свої спостереження за допомогою радіотелескопа CSIRO Australia Telescope Compact Array на сході Австралії. Коли вона посилається на мікронавушну секунду, це міра кутового розміру або наскільки великий предмет виглядає. Якщо, наприклад, небо було поділене на градуси як півкуля, одиниця становить приблизно третину мільярдної частини одного градуса.
Як працює найбільший телескоп? Використання скупченості всередині хмари газу не зовсім незнайоме нічним спостерігачам. Подібно атмосферній турбулентності змушує зірки мерехтіти, наша власна галактика має подібну невидиму атмосферу заряджених частинок, які заповнюють порожнечі між зірками. Будь-яке скупчення цього газу природно може сформувати лінзу, подібно до зміни щільності від зігнутого повітря до скла та зосередженого світла в тому, що Галілей вперше побачив, коли він вказав свій перший телескоп у напрямку зірки. Ефект ще називають сцинтиляцією, а хмара діє як лінза.
Бачити краще, ніж хто-небудь інший, може бути чудовим, але як вирішити, де шукати спочатку? Команда особливо зацікавлена за допомогою «Синтезу Землі-Орбіти», щоб зазирнути близько до чорних дір у квазарах, які є надяскравими ядрами далеких галактик. Ці квазари підкреслюють такі невеликі кути на небі, що вони є простими точками світла або радіовипромінювання. На радіохвилях деякі квазари досить малі, щоб мерехтіти в атмосфері нашої Галактики заряджених частинок, званих іонізованим міжзоряним середовищем. Квазари мерехтять або змінюються набагато повільніше, ніж мерехтіння, пов'язане з видимими зірками. Тож спостерігачам доводиться терпляче їх переглядати, навіть за допомогою найпотужніших телескопів. Будь-яка зміна менш ніж за день вважається швидкою. Найшвидші сцинтилятори мають сигнали, які подвоюються або збільшуються в три рази менше ніж за годину. Насправді найкращі спостереження, зроблені на даний момент, виграють від щорічного руху Землі, оскільки щорічні зміни дають повну картину, потенційно дозволяючи астрономам бачити насильницькі зміни в гирлі чорного отвору струменя. Це одна з цілей команди: "побачити протягом третини світлового року від бази одного з цих літаків", згідно з доктором Девід Джансі CSIRO. "Це" бізнес-кінець ", де зроблений реактивний літак."
Неможливо «побачити» у чорну діру, оскільки ці зірчені зірки настільки щільні, що їхня надмірна сила тяжіння не дає навіть світлу вийти. Тільки поведінка матерії поза горизонтом на деякій відстані від чорної діри може сигналізувати про те, що вони навіть існують. Найбільший телескоп може допомогти астрономам зрозуміти розмір струменя в його основі, картину магнітних полів там і те, як струмінь розвивається з часом. "Ми навіть можемо шукати зміни, оскільки матерія блукає біля чорної діри і виплескається вздовж струменів", - каже доктор Макварт.
Журнал астробіології мав можливість поговорити з Хейлі Біґналл про те, як зробити телескоп з газових хмар і чому зазирнути глибше, ніж хто-небудь раніше, може запропонувати зрозуміти чудові події біля чорних дір. Журнал астробіології (AM): Як ви вперше зацікавились використанням газових хмар як частини природного фокусу для вирішення дуже віддалених об'єктів?
Хейлі Біґналл (НВ): Ідея використання міжзоряної сцинтиляції (МКС), явища внаслідок розповсюдження радіохвиль у бурхливих, іонізованих галактичних "хмарах" для вирішення дуже віддалених, компактних об'єктів, справді являє собою зближення пари різних напрямки досліджень, тому я окреслю трохи історичного підґрунтя.
У 1960-х рр. Радіоастрономи використовували інший вид сцинтиляції, міжпланетну сцинтиляцію, завдяки розсіюванню радіохвиль на сонячному вітрі, для вимірювання кутових розмірів під дуги (1 дуга секунди = 1/3600 градусів дуги) для радіовитоків. Це було більш високою роздільною здатністю, ніж тоді можна було досягти іншими способами. Але ці дослідження значною мірою відійшли в бік з появою дуже довгої базової інтерферометрії (VLBI) наприкінці 1960-х років, яка дозволила отримати прямий знімок радіоджерел із значно більшим кутовим дозволом - сьогодні VLBI досягає роздільної здатності краще, ніж за мільярд секунди.
Мене особисто зацікавило потенційне використання міжзоряної сцинтиляції через залучення до досліджень мінливості радіоджерел - зокрема, мінливості “блазарів”. Блазар - примхлива назва, що застосовується до деяких квазарів та об'єктів BL Lacertae - тобто активних галактичних ядер (AGN), що, ймовірно, містять надмасивні чорні діри як їх "центральні двигуни", які мають потужні струмені енергетичних випромінюючих частинок, які спрямовані майже прямо на нас .
Потім ми бачимо ефекти релятивістського випромінювання при випромінюванні від струменя, включаючи швидку зміну інтенсивності в усьому електромагнітному спектрі, від радіо до високоенергетичних гамма-променів. Більшість спостережуваних варіабельності цих об'єктів можна було пояснити, але виникла проблема: деякі джерела показали дуже швидку внутрішньоденну радіоперемінність. Якби така коротка мінливість масштабу на таких довгих (сантиметрових) довжинах хвилі була невід'ємною для джерел, вони були б занадто гарячими, щоб не залишатися довгі роки, як багато хто спостерігав. Джерела, які нагріваються, повинні випромінювати всю свою енергію дуже швидко, як рентгенівські та гамма-промені. З іншого боку, вже було відомо, що міжзоряна сцинтиляція впливає на радіохвилі; тож питання про те, чи дуже швидка радіозмінність насправді була МКС, чи властивою джерелам, була важливою для вирішення.
Під час мого докторського дослідження я випадково виявив швидку мінливість квазару (блазара) PKS 1257-326, який є однією з трьох найшвидше радіозмінних AGN, що коли-небудь спостерігалися. Ми з колегами змогли остаточно довести, що швидка радіозмінність обумовлена МКС [сцинтиляцією]. Випадок цього конкретного джерела додав до підтвердження того, що радіо-мінливість протягом дня загалом пов'язана переважно з МКС.
Джерела, які показують МКС, повинні мати дуже малі, мікрокресекундні, кутові розміри. Спостереження МКС можуть, в свою чергу, використовуватися для "відображення" структури джерела з роздільною здатністю мікросекунди. Це набагато більша роздільна здатність, ніж навіть VLBI. Ця методика була викладена в документі 2002 року двома моїми колегами, д-ром Жаном-П'єром Маккарт і д-ром Девідом Жаунсі.
Квазар PKS 1257-326 виявився дуже приємною «морською свинкою», з якою продемонстрували, що ця технологія справді працює.
AM: Принципи сцинтиляції видно будь-кому навіть без телескопа, правильно - де зірка мерехтить, тому що вона покриває дуже невеликий кут на небі (будучи так далеко), але планета в нашій Сонячній системі не виблискує видимо? Це справедливе порівняння принципу візуального оцінювання відстаней зі сцинтиляцією?
НВ: Порівняння із тим, як бачити зірки мерехтять внаслідок атмосферної сцинтиляції (через турбулентність та коливання температури в атмосфері Землі) є справедливим; основне явище те саме. Ми не бачимо, як планети мерехтять, оскільки вони мають набагато більші кутові розміри - сцинтиляція «розмивається» по діаметру планети. У цьому випадку, звичайно, це тому, що планети настільки близькі до нас, що вони піддають більший кут на небі, ніж зірки.
Сцинтиляція не дуже корисна для оцінки відстані до квазарів, однак: віддалені об'єкти не завжди мають менші кутові розміри. Наприклад, всі пульсари (спінінг нейтронних зірок) у нашому власному сцинтиляті Галактики, оскільки вони мають дуже крихітні кутові розміри, набагато менші, ніж будь-які квазари, хоча квазари часто бувають мільярдами світлових років. Насправді сцинтиляція використовувалася для оцінки пульсарських відстаней. Але для квазарів, крім відстані, існує чимало факторів, які впливають на їх очевидний кутовий розмір, і щоб ускладнити питання далі, на космологічних відстанях кутовий розмір об'єкта вже не змінюється, як обернена відстань. Як правило, найкращим способом оцінки відстані до квазара є вимірювання червоного зміщення його оптичного спектру. Тоді ми можемо перетворити вимірювані кутові шкали (наприклад, зі сцинтиляції або спостереження VLBI) у лінійні масштаби на червоному зміщенні джерела
AM: Описаний телескоп пропонує приклад квазара, який є джерелом радіозв'язку і спостерігається, що він може змінюватися протягом цілого року. Чи існують природні обмеження щодо типів джерел або тривалості спостереження?
НВ: Існують кутові розміри, за якими сцинтиляція “гасить”. Розподіл яскравості радіоджерела можна зобразити як купу незалежно вискочуючих «патчів» заданого розміру, так що в міру збільшення джерела кількість таких патчів збільшується, і в кінцевому підсумку сцинтиляція над усіма патчами в середньому виходить так, що ми перестаньте спостерігати будь-які варіації взагалі. З попередніх спостережень ми знаємо, що для позагалактичних джерел форма радіочастотного спектру має багато спільного з тим, наскільки компактним є джерело - джерела з "плоскими" або "перевернутими" радіоспектрами (тобто щільність потоку, що збільшується до коротших довжин хвиль), як правило, найбільш компактний. Вони також, як правило, є "блазарними" джерелами.
Що стосується тривалості спостереження, необхідно отримати багато незалежних зразків сцинтиляційної картини. Це тому, що сцинтиляція - це стохастичний процес, і нам потрібно знати деякі статистичні дані процесу, щоб отримати корисну інформацію. Для швидких сцинтиляторів, таких як PKS 1257-326, ми можемо отримати адекватний зразок сцинтиляційної схеми лише з одного типового 12-годинного сеансу спостереження. Для отримання однакової інформації потрібно спостерігати повільні сцинтилятори протягом декількох днів. Однак вирішуються деякі невідомі, наприклад, об'ємна швидкість розсіювального "екрану" в міжзоряному галактичному середовищі (ISM). Спостерігаючи з інтервалами, розташованими протягом цілого року, ми можемо вирішити цю швидкість - і що важливо, ми також отримуємо двовимірну інформацію про сцинтиляційну схему, а отже, і про структуру джерела. Коли Земля обходить Сонце, ми ефективно прорізуємо сцинтиляційну схему під різними кутами, оскільки відносна швидкість Землі / ІСМ змінюється протягом року. Наша дослідницька група назвала цю методику "орбітальним синтезом Землі", оскільки вона є аналогом "синтезу обертання Землі", стандартної методики в радіоінтерферометрії.
AM: Недавня оцінка кількості зірок на небі підрахувала, що у відомому Всесвіті в десятки разів більше зірок, ніж зерна піску на Землі. Чи можете ви описати, чому реактивні літаки та чорні діри цікаві як важкодоступні об'єкти, навіть використовуючи сучасні та майбутні космічні телескопи, такі як Хаббл та Чандра?
НВ: Об'єкти, які ми вивчаємо, - одне з найбільш енергійних явищ у Всесвіті. AGN може бути до ~ 1013 (10 потужністю 13, або 10000 трлн) разів світлішим, ніж Сонце. Вони є унікальними "лабораторіями" для фізики високих енергій. Астрофізики хотіли б повністю зрозуміти процеси, пов'язані з формуванням цих надзвичайно потужних струменів, близьких до центральної надмасивної чорної діри. Використовуючи сцинтиляцію для вирішення внутрішніх областей радіо- струменів, ми заглядаємо близько до «форсунки», де формується струмінь - ближче до дії, ніж ми можемо побачити будь-яку іншу техніку!
AM: У своєму дослідницькому документі ви вказуєте, що те, наскільки швидко і наскільки сильно змінюються радіосигнали, залежить від розміру і форми радіо джерела, розміру і структури газових хмар, швидкості та напрямку Землі під час руху навколо Сонця, і швидкість і напрямок, з яким рухаються газові хмари. Чи є вбудовані припущення щодо форми «лінзи» газової хмари або форми спостережуваного об’єкта, доступного за допомогою техніки?
Туманність Кільця, хоча і не корисна для зображень, має сугестивний вигляд далекої лінзи телескопа. 2 000 світлових років, віддалених у напрямку сузір'я, Ліра, кільце утворюється на пізніх стадіях життя внутрішньої зірки, коли воно проливає товстий і розширюється зовнішній газовий шар. Кредит: NASA Hubble HST
НВ: Замість того, щоб думати про газові хмари, можливо, точніше зобразити «екран» іонізованого газу або плазми, що змінюється фазою, який містить велику кількість клітин турбулентності. Основне припущення, яке входить в модель, полягає в тому, що масштабна величина турбулентних коливань слідує за спектром закону влади - це, здається, є розумним припущенням, з того, що ми знаємо про загальні властивості турбулентності. Турбулентність може бути переважно витягнута в певному напрямку, завдяки структурі магнітного поля в плазмі, і в принципі ми можемо отримати деяку інформацію про це зі спостережуваної схеми сцинтиляції. Ми також отримуємо деяку інформацію із сцинтиляційної картини про форму спостережуваного об'єкта, тому немає вбудованих припущень щодо цього, хоча на цьому етапі ми можемо використовувати лише досить прості моделі для опису структури джерела.
AM: Чи хороші цілі для розширення можливостей методу швидкі сцинтилятори?
НВ: Швидкі сцинтилятори хороші лише тому, що їм не потрібно стільки спостережуваного часу, скільки повільні сцинтилятори для отримання однакової кількості інформації. Перші три сцинтилятори протягом внутрішньої години навчили нас багато про процес сцинтиляції та про те, як робити «синтез орбіти Землі».
AM: Чи заплановані додаткові кандидати для майбутніх спостережень?
НВ: Нещодавно ми з колегами проводили велике опитування, використовуючи дуже великий масив у Нью-Мексико, щоб шукати нові джерела радіо. Перші результати цього опитування під керівництвом доктора Джима Ловелла з Австралійського національного фонду телескопа CSIRO (ATNF) були нещодавно опубліковані в журналі «Астрономічний журнал» (жовтень 2003 р.). Із 700 спостережуваних радіоджерел плоского спектра ми виявили понад 100 джерел, які показали значну варіабельність інтенсивності протягом 3-денного періоду. Ми проводимо подальші спостереження для того, щоб дізнатися більше про структуру джерела на ультракомпактних, мікросекундних масштабах. Ми порівняємо ці результати з іншими властивостями джерела, такими як випромінювання на інших довжинах хвиль (оптична, рентгенівська, гамма-випромінювання) та структура на великих просторових масштабах, таких, як це спостерігається з VLBI. Таким чином ми сподіваємось дізнатись більше про ці дуже компактні джерела температури високої яскравості, а також, дізнавшись більше про властивості міжзоряного середовища нашої Галактики.
Здається, що причина дуже швидкої сцинтиляції в деяких джерелах полягає в тому, що плазмовий "екран розсіювання", що викликає основну частину сцинтиляції, знаходиться зовсім поруч, протягом 100 світлових років Сонячної системи. Ці сусідні «екрани», мабуть, досить рідкісні. У нашому опитуванні було виявлено дуже мало швидких сцинтиляторів, що було дещо дивовижним, оскільки два з трьох найшвидших відомих сцинтиляторів були виявлені безперервно. Ми думали, що таких джерел може бути набагато більше!
Оригінальне джерело: Журнал з астробіології
