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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.