Активные галактические ядра (АГЯ) представляют собой компактные, крайне энергетически насыщенные области в центрах галактик, излучающие колоссальные потоки энергии, часто во много раз превосходящие суммарную светимость всех звёзд данной галактики. Их энергетическая природа объясняется аккрецией вещества на сверхмассивные чёрные дыры, масса которых составляет от миллионов до миллиардов масс Солнца.
Главная особенность АГЯ заключается в их способности ускорять заряженные частицы до энергий, сопоставимых с наблюдаемыми в космических лучах ультравысоких энергий (УВЭ, выше 1018 эВ). При этом излучение АГЯ наблюдается в широком диапазоне: от радиоволн до гамма-квантов.
Квазары представляют собой наиболее яркие представители активных ядер галактик. Их светимость достигает 1047 эрг/с, что эквивалентно энергии, выделяемой тысячами обычных галактик одновременно. Излучение квазаров имеет нестационарный характер: за дни или даже часы их яркость может изменяться на значительную долю. Это указывает на то, что источник энергии чрезвычайно компактен — размеры излучающей области не превышают нескольких световых дней, а зачастую и меньше.
Квазары генерируют не только электромагнитное излучение, но и мощные релятивистские джеты — коллиматированные потоки плазмы, выбрасываемые со скоростями, близкими к скорости света, перпендикулярно аккреционному диску. Эти джеты играют ключевую роль в формировании космических лучей сверхвысоких энергий.
В АГЯ и квазарах выделяют несколько возможных механизмов ускорения космических лучей:
Диффузионное ускорение на ударных волнах. В релятивистских джетах формируются ударные фронты, где заряженные частицы многократно пересекают границу разности скоростей плазмы, постепенно приобретая всё большую энергию.
Центробежное ускорение в аккреционных дисках. Вблизи горизонта событий вращающаяся плазма способна передавать частицы в магнитосфере чёрной дыры, ускоряя их за счёт градиента угловой скорости.
Реконфигурация магнитных полей. В джетах и коронах дисков происходит магнитная рекомбинация, высвобождающая гигантские запасы энергии, аналогично процессам в солнечных вспышках, но на порядки масштабнее.
Эффект Бландфорда–Знайека. Вращающаяся чёрная дыра передаёт энергию через магнитные поля джетам, где ускорение частиц достигает ультравысоких энергий.
АГЯ и квазары рассматриваются как одни из наиболее вероятных источников космических лучей ультравысоких энергий. Теоретические модели показывают, что в их джетах и аккреционных структурах возможно ускорение протонов и ядер до энергий порядка 1020 эВ. Это делает их конкурентами таких источников, как гамма-всплески или остатки сверхновых.
Спектр космических лучей, генерируемый АГЯ, предполагается относительно жёстким на высоких энергиях, что согласуется с наблюдениями массивных частиц, регистрируемых наземными обсерваториями (например, Pierre Auger Observatory).
Гамма-излучение. Современные телескопы, такие как Fermi-LAT и H.E.S.S., фиксируют гамма-кванты с энергиями до нескольких тера- и петаэлектронвольт, приходящие от блазаров (особый тип квазаров, джеты которых направлены в сторону наблюдателя). Это указывает на наличие в источнике ускоренных частиц.
Нейтрино высокой энергии. Обнаружение нейтрино с энергиями порядка петаэлектронвольт детектором IceCube и их корреляция с положением активных ядер на небе предоставляют прямые свидетельства о роли АГЯ как ускорителей космических частиц.
Космические лучи ультравысоких энергий. Распределение их направлений демонстрирует корреляцию с расположением ближайших активных ядер галактик, таких как Центавр A, что подтверждает гипотезу о квазарах и АГЯ как источниках.
Джеты квазаров и АГЯ способны распространяться на сотни тысяч световых лет, взаимодействуя с межгалактическим газом и создавая гигантские ударные волны. Эти структуры не только служат источниками ускоренных частиц, но и влияют на термодинамику и ионизацию межгалактической среды. Таким образом, АГЯ играют роль «регуляторов» космической плазмы на масштабах галактических скоплений.
Несмотря на существенный прогресс, остаются нерешёнными ключевые вопросы:
Современные и будущие обсерватории, включая Cherenkov Telescope Array, IceCube-Gen2 и радиоинтерферометры нового поколения, позволят глубже исследовать взаимосвязь между активными ядрами и космическими лучами.