Минулого тижня були опубліковані спостереження дуже рідкісного і цікавого астрономічного явища, коли хмара міжзоряного газу виступає в ролі лінзи, відхиляючи частину фотонів, випущених далекими квазарами. Хоча подібна подія відразу ж викликає асоціації з гравітаційними лінзами, природа цих процесів абсолютно різна. І у випадку «газової лінзи» істотно менш зрозуміла.
У 1987 році американський астрофізик Фідлер відкрив несподівану зміну інтенсивності позагалактичних радіоджерел - протягом місяця щільність потоку спочатку трохи збільшилася, потім впала в два рази відносно вихідної, а потім відновилася до колишньої величини. Ні до ні після це джерело не демонструвало подібної поведінки. Явище назвали граничним розсіюванням або подією Фідлера, extreme scattering event в англійській термінології. І майже відразу з'явилася теорія, згідно з якою між нами і цим джерелом виявляється щільна хмара холодного газу, яка діє як лінза, відхиляючи частину світу. Ця хмара має бути розміром приблизно в мільярд кілометрів і перебувати від нас на відстані близько 3000 світлових років (тобто всередині нашої Галактики).
Чому поява якоїсь хмари більш ймовірна, ніж ослаблення самого джерела? Справа в тому, що всі зареєстровані події спостерігалися у квазарів. Квазар - це величезний і потужний об'єкт, який складається з надмасивної чорної діри, акреційного диска і, іноді, джетів. Квазар виробляє більше енергії ніж ціла галактика. Квазари змінені у всіх діапазонах електромагнітного спектру, тому що темп аккреції на надмасивну чорну діру в кожен момент свавільний. Однак, ця змінність абсолютно хаотична і незначна в порівнянні з повною потужністю випромінювання. Такі величезні об'єкти не можуть стати тьмянішими вдвічі всього за кілька днів - для цього потрібні багато мільйонів років. Тому логічно припустити, що в разі граничного розсіювання змінюється не світність як характеристика джерела, а зоряна величина, - яскравість джерела, яким її бачить спостерігач. І головним кандидатом у причини цього падіння світності є хмара холодного газу.
Проблема в тому, що якщо порахувати тиск плазми (нагадаємо, що після закінчення епохи Реіонізації майже весь газ у Всесвіті знаходиться в іонізованому стані, тобто це плазма) в хмарі-лінзі, то воно виявляється в тисячу разів більше тиску навколишнього середовища. Це дивно і несподівано, тому що такі хмари повинні швидко руйнуватися. А значить і ймовірність проходження хмари між нами і квазаром повинна бути зникаюче мала, а ми бачимо такі події досить часто. Значить, або ці хмари постійно утворюються в нашій Галактиці (що малоймовірно), або є якийсь механізм, який дозволяє хмари не розсіюватися досить тривалий час.
Більш того, цікава форма лінзи - це сферично-симетричний або протяжний об'єкт? Як розподілена його щільність? З точки зору оптики - це лінза, що збирає або розсіює?
Поки майже всі зареєстровані радіотелескопами ослаблення потоку були виявлені постфактум, хоча було б дуже добре побачити ослаблення потоку прямо під час спостережень і тут же навестися на це джерело іншими телескопами. Ось як різні телескопи можуть допомогти зрозуміти природу цього ефекту:
- хороші радіонапостереження дадуть величину лінійної щільності хмар.
- спостереження за допомогою інтерферометрії з наддовжніми базами (РСДБ) дадуть точні розміри і геометрію лінзи.
- оптичні телескопи допоможуть розгледіти присутність пилу, яка поглинає частину випромінювання на коротких хвилях і скрадає справжні параметри квазарів,
- спектроскопічні спостереження в оптичному діапазоні встановлять хімічний склад лінзи та її фізичні властивості (температура, щільність і так далі).
- реєстрація ефекту Фарадея за допомогою вимірювання поляризації випромінювання дозволяє виміряти магнітне поле лінзи.
Вимірювання будь-якого з цих параметрів може призвести до справжнього прориву у вивченні будови лінзи.
Автори статті придумали нову схему спостережень випадків граничного розсіювання в реальному часі з використанням австралійського компактного масиву телескопів ATCA - шести телескопів, діаметр приймаючої тарілки кожного з яких становить 22 метри. 1000 активних ядер галактик спостерігаються раз на місяць. 50 секунд спостережень вистачає для отримання безперервного спектру джерела в смузі 4-8 ГГц. Таким чином, всього за 24 години можна отримати спектри всіх джерел з вибірки (решту місяця телескопи працюють за іншими програмами спостережень). Таких рідкісних вимірювань достатньо для виявлення зміни спектру в результаті настання події граничного розсіювання.
Всього через два місяці після початку спостережень було виявлено перше джерело, у якого різко змінився радіоспектр. Телескоп почав міряти потік квазара щодня і вже через 100 днів на графіку чітко було видно два піку, яких ніхто не очікував і які треба пояснити.
Червоне зміщення джерела (тобто відстань до нього) і точний його тип все ще не були відомий до цього моменту. Додаткові вимірювання на 8-метровому оптичному телескопом Gemini South допомогли встановити внесок пилу в зміну видимого потоку відносного істинного. Крім того, були отримані зображення 1,3 метрового телескопа мережі SMARTS в Чилі. Ці вимірювання, отримані у видимому та ВК-діапазонах не зареєстрували жодної зміни видимого блиску квазара, що підтверджує гіпотезу про хмару газу, яка працює як лінза.
Справа в тому, що індекс заломлення світла в будь-якому прозорому середовищі залежить від довжини хвилі (саме тому світло в призмі розкладається в спектр). Але він не просто залежить від довжини хвилі - він пропорційний 2, чим більша довжина хвилі, тим сильнішим буде відхилення, тому логічно, що радіохвилі будуть відхилятися найсильніше і радіовипромінювання квазарів буде слабшати.
Далі автори провели спостереження за допомогою декількох радіотелескопів, об'єднаних у дві мережі - та сама інтерферометрія на наддлінних базах - VLBA, розташовану в США і Australian LBA, розташовану, відповідно, в Австралії. Виявилося, що в радіодієстоні об'єкт не тільки ослаб, але і зрушив приблизно на одну кутову мілісекунду, як зрушив би будь-який об'єкт, якщо дивитися на нього крізь звичайне збільшувальне скло.
Було б добре визначити і геометрію лінзи, але для цього поки не вистачає зображень. Тому вчені пішли іншим шляхом: вони побудували одномірний «зріз» щільності електронів хмари плазми і вирахували, якій формі хмари подібний зріз підійде краще - анізотропній (не уточнюючи конкретну форму) або сферично симетричній.
Дані спостережень не дають однозначної відповіді, яка модель краща, проте анізотропна гіпотеза все-таки більш краща. Якщо слідувати їй, то хмара газу працює як розсіююча лінза. Це не дуже добре з точки зору теорії, і ось чому. Нагадаємо, що для такого значного відхилення радіолучої тиск у лінзі має бути в тисячу разів вище, ніж у навколишньому надзвичайно розрідженому середовищі, а її температура перевищує 3000 Кельвін. І якщо самогравітуюча сферично симетрична лінза могла в принципі мати такий високий тиск всередині себе, то як це можливо для анізотропної лінзи, у якої не вистачає маси навіть для того, щоб зібратися в подобу сферичної хмари - досі загадка.
Робота проекту з пошуку таких граничних відхилень тільки почалася, тому необхідно почекати, поки буде накопичена достатня статистика щодо таких подій. Автори припускають, що в деяких випадках подібні лінзи зможуть формувати подвійні зображення одного і того ж квазара, а це дасть прекрасну вохможність визначити точну форму лінзи.
James Loesch