Международная команда исследователей обнародовала результаты масштабного мониторинга блазара PKS 1614+051, расположенного на удалении свыше 11 млрд световых лет. Свет, который мы фиксируем сегодня, покинул источник в эпоху, когда Вселенной было всего около 10–15 % от её нынешнего возраста. Благодаря непрерывным наблюдениям с 1997 по 2024 г. на российских и зарубежных радио- и оптических обсерваториях удалось детально изучить его спектральные характеристики. Полный отчёт опубликован в журнале Astrophysical Bulletin Специальной астрофизической обсерватории РАН (DOI: 10.1134/S199034132460087X).
В ядрах большинства массивных галактик скрываются сверхмассивные черные дыры с массами от миллионов до миллиардов солнечных. Падающее на них вещество формирует аккреционный диск — раскалённую структуру, сильно излучающую во всём диапазоне электромагнитного спектра. Квазары являются наиболее яркой разновидностью активных ядер: их светимость может в тысячи раз превосходить суммарный свет родительской галактики из сотен миллиардов звёзд, что делает их видимыми на границе наблюдаемой Вселенной.
Около 10–15 % квазаров характеризуются мощным радиоизлучением, генерируемым в релятивистских струях (джетах), вылетающих из окрестностей чёрной дыры на скоростях, близких к световой. Блазары — это такие квазары, чьи джеты направлены практически по прямой на Землю. Благодаря эффектах сильного релятивистского доплеровского усиления они отличаются повышенной яркостью и быстрой изменчивостью во всём диапазоне волн, от гамма- и рентгеновских до радиочастот, что позволяет обнаруживать их на огромных космологических расстояниях.
Красное смещение (z) показывает, насколько «растянулась» длина волны излучения дальних объектов. Чем больше z, тем дальше объект и тем раньше он существовал. Блазары с z > 3 открывают окно в эпоху формирования первых звёзд, галактик и сверхмассивных чёрных дыр. Для PKS 1614+051 z = 3.21, то есть мы видим его таким, каким он был примерно 11.5–12 млрд лет назад при современном возрасте Вселенной ≈ 13.8 млрд лет.
У большинства квазаров радиоспектр описывается простым степенным законом: интенсивность излучения монотонно убывает с ростом частоты. Но существует подгруппа источников с максимумом в спектре на высоких частотах (High-Frequency Peaker, HFP) — их яркость возрастает до пика, а затем спадает. PKS 1614+051 относится к таким объектам: его спектральный максимум зафиксирован на частотах около 4–5 ГГц.
Причины появления HFP-источников объясняют либо их «молодость» (возраст компактного радиоисточника не превышает тысячи лет), либо наличие плотной ионизированной оболочки вокруг джета. Однако аналогичные спектральные пики могут временно возникать и у обычных блазаров во время мощных вспышек, когда в струе возникает новая компактная компонента. Разграничить «истинно юный» источник и активный блазар удаётся лишь при многолетнем многочастотном мониторинге.
Авторы сосредоточили внимание на PKS 1614+051: этот объект сочетает свойства радиогромкого блазара с высоким z и стабильного HFP-источника. Основная цель работы — выяснить, обусловлена ли его роль «новорождённого» радиоактивного объекта ранней Вселенной или же специфика спектра формируется за счёт взаимодействия мощного джета с околоядерным газом.
Исследователи подробно проанализировали:
- длительную (27 лет) изменчивость яркости в радио- и оптическом диапазонах;
- эволюцию формы радиоспектра и точку максимума;
- временные задержки между вспышками на разных частотах;
- спектроскопические свойства газа вблизи ядра.
Для этого применялись:
- радиотелескоп РАТАН-600 (диаметр кольца ≈ 600 м) для мгновенных замеров потока на 1–22 ГГц (1997–2024) и ежедневных наблюдений на 4.7 ГГц (2019–2020);
- два 32-метровых телескопа РТ-32 (Бадарах и Зеленчукская) из сети «Квазар-КВО» для точных замеров на 5 и 8 ГГц (2022–2024);
- 22-метровый РТ-22 в Крыму для мониторинга на 37 ГГц (2005–2024);
- оптические телескопы Zeiss-1000 (1 м) и АС-500/2 (0.5 м) САО РАН (2023–2024) и архивный ZTF (с 2018) для фотометрии в красном диапазоне;
- 6-метровый Большой Телескоп Азимутальный (БТА) со спектрографом SCORPIO-I для получения детальных оптических спектров и анализа химического состава и кинематики газа.
Комплексный анализ показал, что PKS 1614+051 обладает умеренной радиопеременностью (10–30 % от базового потока), а частота пика спектра остаётся неизменной около 4.6 ГГц на протяжении всех 27 лет.
Корреляция кривых блеска разных диапазонов выявила задержки вспышек от 0.6 до 6.4 лет (наблюдательская система отсчёта), причём вспышки сначала возникают на высоких частотах и лишь затем смещаются в область более низких — классический признак прохождения релятивистского потока сквозь зоны убывающей плотности.
Статистический анализ определил внутренние временные масштабы переменности от 0.2 до 1.8 лет (в системе отсчёта блазара), сходные с яркостной изменчивостью ближних блазаров, но растянутые за счёт космологического расширения. Ежедневные наблюдения на 5 ГГц показали дополнительную вариативность с характерным временем порядка 12 дней, вероятно обусловленную межзвёздным мерцанием.
Ни одна из моделей — самопоглощение в джете или внешнее поглощение газом — не дала однозначного преимущества, что может говорить о совместном влиянии обоих механизмов на формирование радиоспектра.
Есть указания на рост магнитного поля в джете в преддверии главных вспышек (максимум около 2012–2013 гг.), что может означать накопление магнитной энергии перед выбросом, однако эта гипотеза требует дальнейшей проверки.
Спектроскопический анализ Лайман-альфа линии на БТА выявил узкую линию поглощения, смещающуюся вдоль щели спектрографа на ±90 км/с по обе стороны от центра. Это свидетельствует об упорядоченном движении, возможно вращении обширного нейтрального облака или диска радиусом до десятков килопарсек вокруг ядра.
Юлия Сотникова, заместитель директора САО РАН по науке и руководитель работы:
«Главное достижение — сочетание длительного многочастотного мониторинга далёкого объекта с глубоким спектроскопическим анализом его окружения. Это позволило получить целостную картину: PKS 1614+051 демонстрирует черты классических переменных блазаров и признаки возможной «молодости» или сильного взаимодействия с плотной средой. Открытие вращения газового облака связывает радио- и оптические данные воедино. Иначе говоря, для понимания природы таких объектов необходимы не единичные снимки, а длительные многоволновые исследования на лучших инструментах.»
Александр Попков, МФТИ:
«Наблюдая PKS 1614+051 почти три десятилетия, мы словно смотрели кино в замедленной съёмке жизни космического двигателя ранней Вселенной. Данные РАТАН-600 и других участников коллаборации показали, что временные задержки и амплитуды изменений соответствуют ближним блазарам, но растянуты из-за z. Это подчёркивает значимость долговременного многочастотного мониторинга активных ядер. Однако уникальный максимум спектра около 5 ГГц, стабильно сохраняющийся десятилетиями, указывает на сложное сочетание «молодости» источника и плотного окружения.»
Исследование PKS 1614+051 помогает понять рост первых сверхмассивных чёрных дыр и их галактик, механизмы обратной связи активных ядер и процессы ускорения частиц в экстремальных магнитных полях. Дальнейшие наблюдения в глобальных радиосетях и новые оптические спектры дадут возможность получить изображения джета с ультра-высоким разрешением, измерить скорости компонентов и уточнить размеры излучающих областей, а также подтвердить или опровергнуть гипотезу вращающегося газового диска/гало.
В проекте участвовали учёные САО РАН, МФТИ, Казанского федерального университета, ФИАН, ИПА РАН, КрАО РАН и Института радиoастрономии им. Макса Планка (Бонн, Германия).
