Почему ваш навигатор тупит и при чём тут чёрные дыры?
Бывало же такое: стоишь такой посреди незнакомого района, открываешь карту в телефоне, а синяя точка с местоположением живёт своей жизнью. То она запрыгнет в соседний дом, то покажет, что вы стоите посреди проезжей части.
Обычно мы виним в этом глюки GPS, слабый сигнал или криворуких разработчиков. Но что, если иногда в этом виновата сверхмассивная чёрная дыра, которая находится в паре миллиардов световых лет отсюда прямо сейчас пожирает очередную звёздную систему?
Маяки Вселенной
Для начала разберемся с базой. Навигатор в вашем смартфоне постоянно общается со спутниками на орбите — это всем известно. Но ключевой вопрос: а как сами спутники систем GPS и ГЛОНАСС идеально точно знают, где они находятся в пространстве? Чтобы не сбиться с курса, им нужна сверхточная и, главное, абсолютно неподвижная система координат.
Когда-то спутники и даже станции (как эта Луна-2) летали без ориентации. Антенны передавали данные на землю при любом положении. Сейчас так позволительно только всяким микроспутникам, вещам посерьёзнее уже наужно к чему-то привязываться — к Солнцу или другим звёздам, например
И они её получают, ориентируясь по звёздам. Только это не обычные звёзды, а совершенно особенные объекты — квазары.
Что же такое этот квазар? Если не грузить сложными терминами, то вот у нас есть сверхмассивная чёрная дыра, которая сидит в центре далёкой галактики и так поглощает окружающую материю (газ, пыль, звёзды, планеты), что та, падая на неё, раскаляется до невероятных температур и ярко светится.
Очень ярко. Ярче триллионов солнц. Оттуда ещё и вылетают струи раскалённой плазмы — джеты, — которые бьют на сотни тысяч световых лет.
Иначе говоря, квазары — это активные ядра галактик
Из-за своей чудовищной яркости (а ещё они очень далеко) квазары кажутся с Земли практически неподвижными точками — это и делает их идеальными ориентирами. Так родилась идея использовать квазары в качестве опорных точек для сверхточной навигации.
Астрономы измеряют их положение с точностью, которая позволяет разглядеть толщину человеческого волоса с расстояния в тысячу километров.
Галактика Геркулес А, из центра которой вырываются релятивистские джеты
Спутники, чтобы точно знать, где находятся они сами (и, следовательно, где находитесь вы), сверяются по сети этих квазаров. Это и есть фундамент всей системы координат. По сути, квазары — это природные космические маяки, по которым сверяются наши рукотворные технологии.
В чём подвох?
Долгое время всё было прекрасно и работало как швейцарские часы. Спутники смотрели на квазары, калибровали своё положение, мы видели себя на карте...
Но потом учёные из чистого любопытства решили сравнить данные, полученные с двух разных источников: оптического космического телескопа Gaia, который видит квазары в обычном свете, и сети радиотелескопов, которые фиксируют их радиоизлучение (именно эти данные и важны для навигации).
Телескоп Gaia
И вот выяснилось, что примерно у 10% квазаров — то есть у каждого десятого — координаты в оптическом и радиодиапазоне не совпадали (самая яркая точка смещена относительно истинного центра). Разница была крошечной, но для систем, где важна каждая доля миллисекунды дуги, это было критично.
Галактика J0907+6815. Радиотелескопы приняли за центр яркий компонент №1, но истинный центр галактики находится там, где компонент №2
Что-то тут явно было не так.
В поисках лжи
За это дело и взялись астрофизики из МФТИ и ФИАН. Вместо того чтобы списать эту разницу на погрешность, они решили целенаправленно найти и изучить все такие кривые квазары. Просмотрев сотни тысяч архивных изображений, они выявили 35 особенно интересных объектов.
Оказалось, что у этих квазаров самый яркий радиосигнал исходил не из самого центра, не от аккреционного диска вокруг чёрной дыры, как должно быть по всем канонам. Он шёл из того самого джета — гигантской струи плазмы.
Проще говоря, наши навигационные системы годами целились не в сам маяк (ядро галактики), а в очень яркий блик или отсвет от него, который находился на расстоянии в несколько световых лет от реального центра.
Стрелка показывает, насколько яркий выброс квазара (Gaia) смещен относительно его истинного ядра (VLBI). Эти смещения и являются причиной неточностей в спутниковой навигации.
Но почему так вышло? Почему какая-то точка в струе вдруг стала светить ярче, чем адский котёл вокруг сверхмассивной чёрной дыры? У учёных есть несколько версий.
Как рассказал один из авторов исследования, научный сотрудник МФТИ Александр Попков, релятивистская струя, вырываясь из ядра, на бешеной скорости врезается в плотное облако межзвёздного газа. Происходит колоссальное столкновение, образуется ударная волна. Эта область работает как гигантский природный ускоритель частиц, которые начинают дико светиться в радиодиапазоне, полностью затмевая собой истинное ядро.
Составное изображение чёрной дыры (красного цвета) и её джетов (жёлтого цвета), созданное на основе данных нескольких телескопов
Но может, дело не только в ярком джете, но и в самом ядре? Исследования показали, что у этих 35 квазаров ядра оказались аномально тусклыми — их яркость была в 10, а то и в 100 раз ниже стандартной. Возможно, их свет просто глушит и поглощает плотная межзвёздная плазма, которая окружает центр галактики.
Распределения медианных спектральных индексов VLBI компонентов для 35 источников, отобранных для окончательной выборки. Сплошная линия: это «ложные цели» — яркие области в джете, которые система Gaia видит как основные. Их спектр плоский или инвертированный, что характерно для плотных и компактных источников. Пунктирная линия: это истинные ядра галактик, которые должны быть опорными точками для навигации (VLBI). У них крутой спектр, что типично для «прозрачных» релятивистских струй
Ещё одна гипотеза — сама структура джета у этих объектов какая-то особенная. Возможно, частицы в нём разгоняются до нужной яркости не сразу у основания, а лишь на некотором расстоянии от ядра, как раз там, где и наблюдается яркое пятно.
Эти результаты, кстати, бросают вызов существующим физическим моделям — пока они не могут полностью объяснить такой феномен.
Чёрный список для космоса и при чём тут ваш телефон
Так почему вся эта история так важна для нас с вами? Неужели это ошибка в миллисекунды так важна? Да, для поездки до магазина это роли не играет. Но современный мир построен на сверхточной навигации.
От этих миллисекунд зависит корректная работа всего, что требует высочайшей точности: посадка самолетов, наведение беспилотных автомобилей, работа картографов и геодезистов, даже функционирование некоторых финансовых систем.
Квазары — это своеобразные маяки для всех навигационных спутников. Если мы используем для ориентации такой «ложный маяк», появляется систематическая ошибка.
То есть вся система навигации, опираясь на сбитый прицел, начинает понемногу накапливать ошибку, что снижает общую точность. Но и это ещё не всё.
Есть проблема посерьёзнее: положение этого яркого пятна в джете может меняться со временем. Если активность ядра квазара или плотность окружающего газа изменятся, эта точка может скакать. То есть этот маяк не просто светит не оттуда, он ещё и дёргается.
Вот и получается, что эта выборка — это, по сути, составление «чёрный список» таких ненадёжных источников. Эти 35 объектов теперь на карандаше. Их либо нужно будет совсем исключить из числа опорных маяков для калибровки спутников, либо использовать, но уже с поправкой на их реальное положение.
Сейчас исследование продолжается. Учёные ищут новые ложные маяки и уже провели дополнительные наблюдения найденных объектов с помощью сети радиотелескопов VLBA (Very Long Baseline Array) в США, чтобы докопаться до самой сути их природы.
Вот и получается, что не всегда нужно сразу винить свои гаджеты, когда навигация начинает нещадно глючить, или разрабов (хотя зачастую виновны именно они, ха-ха).
И вообще, ну кто бы мог подумать, что наша простая и удобная жизнь так тесно связана с огромными чёрными дырами в миллиардах световых лет от нас? Теперь вы знаете.
Такие дела.