Астрофизики уточнили природу квазипериодических колебаний в блазаре PG 1553+113
Блазары — один из наиболее экстремальных типов активных галактических ядер, в которых релятивистские струи плазмы (джеты) направлены почти точно в сторону наблюдателя. Благодаря этому эффекту они демонстрируют резкие и часто непредсказуемые изменения яркости в широком диапазоне длин волн — от радиодиапазона до гамма-излучения. Такая высокая переменность делает блазары удобной «лабораторией» для изучения процессов, происходящих вблизи сверхмассивных чёрных дыр. В некоторых случаях в их излучении фиксируются квазипериодические осцилляции (QPO) — повторяющиеся, но не строго регулярные колебания яркости, природа которых до сих пор остаётся предметом научной дискуссии.
Авторы новой работы, Елена Мадеро (Elena Madero, специалист по астрофизике высоких энергий) и Альберто Домингес (Alberto Domínguez, эксперт по блазарам и экстрагалактическому фону), проанализировали 17-летний массив наблюдений гамма-обсерватории Fermi-LAT, чтобы детально исследовать эволюцию излучения блазара PG 1553+113 на протяжении его ~2,2-летнего цикла QPO.
Ключевая задача заключалась в том, чтобы определить, связаны ли наблюдаемые колебания яркости с изменениями спектра (то есть являются ли они хроматическими) или же происходят независимо от спектральной формы (ахроматический сценарий). Ответ на этот вопрос позволяет различить два принципиально разных механизма: внутренние процессы в джете — такие как ускорение частиц или ударные волны — и внешние эффекты, например прецессию, при которой направление джета периодически меняется.
Для повышения надёжности анализа исследователи использовали усреднение данных по 30-дневным интервалам, что позволило подавить кратковременные флуктуации и выделить долгосрочные тренды. Для очистки сигнала от фонового шума применялся метод сингулярного спектрального анализа (SSA), широко используемый для извлечения скрытых закономерностей во временных рядах. Дополнительно, чтобы корректно оценить связь между яркостью и спектральными характеристиками с учётом временной корреляции данных, использовался статистический подход, устойчивый к автокоррелированным выборкам.
Результаты показали, что в периоды повышенной яркости спектр излучения систематически становился мягче ("softer-when-brighter"), то есть возрастала доля низкоэнергетических фотонов. Подобное поведение считается нетипичным для высокоэнергетических блазаров с пиком синхротронного излучения, к которым относится PG 1553+113. Примечательно, что этот эффект сохранялся даже после удаления долгосрочных трендов и учёта статистических зависимостей, что указывает на его устойчивую физическую природу.
В то же время анализ не выявил корреляции между фазой QPO и спектральными изменениями. Это означает, что сами квазипериодические осцилляции не связаны напрямую с трансформацией спектра. Такой результат противоречит моделям, в которых QPO объясняются внутренними процессами — например, нестабильностями аккреционного диска или динамикой ударных волн в джете. Вместо этого данные лучше согласуются с геометрическим сценарием, в частности с прецессией джета. В рамках этой модели изменения яркости возникают из-за колебаний угла наблюдения, что приводит к периодическому усилению или ослаблению излучения за счёт усиления эффекта Доплера в черных дырах (релятивистский эффект, при котором вещество в аккреционном диске, вращающееся в направлении наблюдателя, кажется значительно ярче, в то время как вещество, удаляющееся от наблюдателя, кажется тусклее).
Таким образом, полученные результаты указывают на двойственную природу переменности PG 1553+113. Быстрые спектральные изменения, по-видимому, обусловлены внутренними процессами в джете — такими как движение плазмы, ускорение частиц или магнитные реконфигурации. В то же время долгопериодические осцилляции яркости связаны с геометрическими эффектами, прежде всего с прецессией, которая меняет наблюдаемую интенсивность излучения. Это сочетание механизмов даёт более целостное представление о структуре и динамике блазаров.
В дальнейшем исследователи планируют расширить выборку объектов, включив больше блазаров с признаками QPO, а также использовать многоволновые наблюдения — от радиодиапазона до гамма-лучей. Это позволит проверить универсальность геометрической модели и уточнить вклад различных физических процессов. Кроме того, такие исследования могут пролить свет на роль двойных сверхмассивных чёрных дыр, которые потенциально способны вызывать прецессию джетов и связанные с ней осцилляции.