Что такое джет в астрономии
Что такое джет в астрономии
О природе космических джетов
Слово «джет» означает «струя» (англ. jet). Это может быть струя воды, пара, газа или плазмы. Общим для всех джетов является то, что джет зарождается в области с повышенной плотностью энергии и движется из этой области по пути наименьшего сопротивления. Запомним это.
Космические джеты зарождаются в активных ядрах галактик. Здесь речь пойдёт о стационарных космических джетах, самый известный из которых – джет гигантской эллиптической галактики М87 (рис.1)
Рис. 1
Джет галактики М87 был открыт ещё в 1918 году. Одиночность джета удивяла, так как теоретически должно было быть два симметричных джета, истекающих из ядра в противоположных направлениях. И действительно, вторая струя, симметричная первой, была недавно открыта в радиодиапазоне. То, что излучения из струй получены в разных волновых диапазонах (оптический и радио), объясняется направлением движения вещества в джетах: в одной струе к нам, в другой – от нас. Поэтому излучение из струй в одном случае смещено в фиолетовую сторону, а другом – в красную. А поскольку вещество в струях движется с релятивистской скоростью, смещения получилсь очень большими.
«…казалось, что джеты появляются довольно просто. Молодая галактика, в которой не закончились процессы формирования звезд, наполнена разнообразными космическими «строительными материалами» — газами, пылью, разреженной плазмой. Черная дыра формирует вокруг себя так называемый аккреционный диск, в котором слои вещества трутся друг о друга и, замедляясь, падают на ее поверхность. В какой-то момент наступает предел, когда аккреция больше не может продолжаться. Поскольку внешние слои диска давят на внутренние, лишнее вещество может выбрасываться только в двух направлениях, под и над диском, по оси вращения».
Такое представление просуществовало почти сто лет, до запуска в июле 2011 года российского научного космического аппарата «Спектр-Р» в международном космическом проекте Радиоастрон (рис.2)
Рис. 2
«С помощью «Радиоастрона» были измерены «сопла» джетов, то есть тех мест, где они возникают. Получилось примерно треть парсека, то есть почти световой год. Отсюда, кстати, следует, что научно-популярные рисунки, на которых из полюсов черной дыры вырываются резкие плазменные струи, — чистой воды художественная фантазия. Если верно отмасштабировать ширину струи, то саму дыру и даже «бублик» аккреционного диска вокруг нее будет просто не разглядеть. …поскольку длина джета может превышать миллион световых лет, в космических пространствах это тонюсенькая ниточка».
В связи с этим возникает вопрос – почему на фотографии галактики М87 джет не выглядит «тонюсенькой ниточкой»? Длина джета М87 оценена в 5 тысяч световых лет. Значит толщина джета (световой год) должна быть приблизительно в пять тысяч раз тоньше его длины. Но ведь на фотографии галактики М87 это явно не так. Причина несоответствия объясняется ориентацией галактики по отношению к наблюдателю: видимый джет направлен почти прямо на наблюдателя (рис.3)
Рис. 3
Джет М87 кажется коротким по той же причине, по которой тени в полдень короткие.
«В ходе изучения активного ядра гигантской эллиптической галактики Персей A с расстояния 230 млн световых лет удалось построить карту релятивистского джета, зарождающегося в окрестностях центральной черной дыры. Изображение получено с беспрецедентным угловым разрешением, позволившим измерить ширину основания джета и исследовать детали структуры размером до 12 световых дней. Угол наблюдения джета — 20°. Оказалось, что струя стартует очень широкой — в несколько сотен гравитационных радиусов. В результате впервые получены доказательства механизма «запуска» джета, за который ответственен аккреционный диск вокруг черной дыры, а не сама дыра»
Так как же на самом деле – на выходе струя очень тонкая, или очень широкая? И как направлено магнитное поле по отношению к джету – вдоль джета, или вокруг джета?
Кроме того, в статье отмечаются ещё ряд необъяснимых с сегодняшних позиций явлений, в частности такие:
Автор статьи Юрий Ковалев, член-корреспондент РАН, заведующий лабораторией АКЦ ФИАН, отмечает: «Возможно существуют другие механизмы, которые могли бы это объяснить. В любом случае, согласованная картина нашего понимания природы излучения ядер квазаров рассыпалась».
То, что угол наблюдения джета 20°, обясняет то явление, что кажется, будто струя стартует очень широкой. Ситуация здесь подобна показанной на рис.3. Наблюдатель видит под углом 20 0 и сам джет и аккреционный диск, который создаёт впечатление широкого основания джета.
Остальные три перечисленные выше явления также имеют объяснения, не требуюшие новых фантастических гипотез. Нужно только учесть два общеизвестных факта — аккрецию межгалактического газа на ядро галактики и наличие у спиральных и эллиптических галактик дипольного магнитного поля (рис.4), влияющего на направление аккреции.
Рис. 4
Рассмотрим, как происходит аккреция в случае галактики, имеющей мощное дипольное магнитное поле. При аккреции заряженных частиц в магнитном поле их траектории напоминают спирали, закрученные вокруг магнитных линий. Но частицы аккрецирующего газа пребывают то в нейтральном состоянии, то в заряженном, так как при столкновениях их между собой и с частицами газа галактики они то ионизуются, то рекомбинируют, вновь становясь нейтральными. Процесс ионизации-рекомбинации происходит с очень высокой частотой. Поэтому приблизительно половину времени аккрецирующие частицы газа пребывают в нейтральном состоянии. В период нейтральности, ускорение частиц направлено к центру галактики. Это приводит к тому, что газ, аккрецирующий в плоскости экватора, образует аккреционный диск. Остальной же газ, начиная движение с различных направлений, в глубоких слоях галактики собирается магнитным полем в два узких жгута плазмы, движущихся к цетру галактики со скоростью, близкой к скорости света (рис.5а).
Рис. 5
Для этих узких жгутов газа создаётся природный аналог адронного коллайдера — ускорителя на встречных пучках. Явления, характерные для земных адронных коллайдеров, будут иметь место и в данном случае, но только в космических масштабах. При столкновении встречных пучков плазмы образуется антиматерия, подобно тому, как это происходит в БАК. Для того, чтобы вспыхнул процесс аннигиляции, достаточный по мощности для образования стационарного джета (рис.4б), масса галактики должна быть очень большой, а магнитное поле очень мощным. Именно по этой причине далеко не у кажой галактики можно наблюдать джеты. В большинстве же случаев аннигиляция просто вызовет повышенную активность ядра галактики.
Несложный расчёт показывает, что при условии полной аннигиляции аккрецирующего газа в галактике М87 выделяется энергия порядка 10 40 эрг/с, что соответствует тысячной доле полной энергии излучения галактики Млечный Путь за одну секунду. Это колоссальная энергия. Однако в этом объяснении есть две неясности. Во-первых, какая часть аккрецирующего газа аннигилирует, а какая просто пополнит массу галактики. И во-вторых, какова энергия джета — в публикациях оценку энергии джета встречать не приходилось. Пока же ясно одно – понимание высокой мощности излучения ядер квазаров стоит искать в этом направлении.
Есть ещё одно соображение, свидетельствующее в пользу того, что джет порождается аннигиляцией аккрецирующего газа. Как уже было отмечено, джет зарождается в области с повышенной плотностью энергии и движется из этой области по пути наименьшего сопротивления. Материя джета представляет собой высокоионизованную плазму. А плазма беспрепятственно может перемещаться только вдоль магнитных линий. Следовательно, струя джета будет направлена по оси галактики навстречу аккрецирующему газу. Это должно вызвать в плазме джета сильную турбулентность, что и видно на рис.1 невооружённым глазом.
Наблюдениями установлено, что вырвавшиеся струи плазмы рассеиваются на расстоянии тысяч световых лет от места своего рождения, образуя гигантские радиоизлучающие облака. Их называют также «радиоуши». Радиоуши чисто визуально напоминают клубящиеся облака пыли (рис.6). Очевидно, что там происходит интенсивная турбулентность газа и пыли, и достоверно установлено, что оттуда идёт мощное радиоизлучение.
Рис.6 Радиоуши эллиптической галактики NGC 1316 (Печь А)
Джет из чёрной дыры – уникальное космическое явление на месте галактического коллапса
НОВОСТИ КОСМОСА
Джет из чёрной дыры – уникальное космическое явление на месте галактического коллапса
Большую часть времени черная дыра проводят в покое – она находится в космическом пространстве и, выражаясь человеческим языком, «откровенно бездельничает». Все меняется с того момента, когда в гравитационное поле чёрной дыры попадает какой-либо объект. Конечно, шансов продолжить существование у «случайного гостя» практически нет, но сам процесс «кормления» чёрной дыры – удивительное явление.
Джет – прощание гибнущей звезды
Исход случайной встречи гигантского газового шара, который мы называем звездой, и чёрной дыры предсказуем. У светила, каким бы крупным и массивным оно ни оказалось, нет ни единого шанса – чёрная дыра поглотит его полностью. Объект распадается и теряет вещество постепенно, и на время вокруг непроницаемо-черной дыры создается аккреционный диск (яркое кольцевидное формирование, состоящее из нагретых до невероятных температур пылинок и облаков газа). Постепенно и он гаснет. Это означает конец существования звезды.
В большинстве случаев чёрная дыра просто разрывает встретившийся на ее пути космический объект и засасывает его, но иногда гибнущие звезды эффектно прощаются со Вселенной. Это происходит крайне редко, и ученые пока спорят о том, какими должны быть условия для формирования джета – именно так называют гигантскую плазменную струю, которая вырывается из центра чёрной дыры после поглощения звезды.
Причиной образования джетов считается взаимное воздействие аккреционного диска и магнтиного поля – при определенной комбинации условий плазменный поток «выстреливает» в космос со световой скоростью.
Джет «нашего времени»
Совсем недавно ученым удалось понаблюдать за формированием и расширением структуры джета практически в режиме «реального времени». Уникальное событие произошло в глубоком космосе, в 150 млн световых лет от нашей планеты, именно здесь столкнулись две галактики. В центре каждой из участниц «космического ДТП» есть сверхмассивная чёрная дыра (ориентировочная масса каждой составляет около 20 миллионов масс Солнца).
Обычно столкновение галактик проходит незамеченным для большинства объектов, входящих в их состав. Даже нашему Млечному Пути в далеком будущем предстоит столкнуться с соседствующей галактикой Андромеды, и ученые утверждают, что, если к моменту столкновения на Земле еще будет жизнь, то ей ничего не грозит – разве что ночное небо над головами потомков станет намного ярче.
Одной из небольших звезд Arp 299 (именно такое лаконичное название астрономы дали «месту происшествия») повезло намного меньше, чем миллионам ее «соседок» по галактике – она подошла слишком близко к сверхмассивной чёрной дыре.
Астрономы наблюдают за галактическим коллапсом уже довольно давно, а в январе 2005 года посредством Большого Канарского телескопа удалось зафиксировать аномальный выброс излучения в инфракрасном диапазоне. Спустя полгода аналогичное наблюдение было сделано с помощью радиоинтерферометра НРО США – и ученые поняли, что им выпала возможность пронаблюдать уникальное космическое явление.
Конечно, пронаблюдать явление в оптическом диапазоне невозможно – галактический коллапс происходит слишком далеко, кроме того, видимый свет блокируется газом, пылью, другими помехами.
Астрономы финского университета Турку говорят о том, что с течением времени растет яркость объекта в радиочастотном и инфракрасном диапазоне, тогда как о видимом и рентгеновском излучении такого сказать нельзя. Вероятно, плотные газопылевые скопления, встречающиеся на пути видимого и рентгеновского излучения, активно поглощают их и переводят в инфракрасный диапазон.
Наблюдения продолжались в штатном режиме, пока в 2015 году ученые не отметили, что материя в месте столкновения движется в одном направлении со значительной скоростью, близкой к световой – именно так ведет себя джет в теории.
Сейчас ведутся активные исследования и регистрируются все изменения в рассматриваемой области. Астрономам уже удалось получить ценную информацию о формировании и поведении релятивистских струй. Однако исследователи говорят о том, что полученные данные – только «вершина айсберга». Конечно, наблюдение за джетом с момента его зарождения позволило собрать уникальные сведения, однако вопросов о природе и происхождении таких явлений пока намного больше, чем ответов.
В частности, высказывается предположение, что релятивистские струи, считавшиеся явлением уникальным, на самом деле возникают во много раз чаще – просто мы не можем наблюдать их из-за большой удаленности и космических «помех». Если это так, и столкновение звезды с черной дырой с последующим выбросом джета – рядовое событие во Вселенной, возможно, риски для жизни в нашей галактике при грядущем столкновении с Андромедой сильно недооценены.
Прочитайте еще
SpaceX возобновляет полеты
Ракетоноситель Falcon-9 успешно добрался на орбиту в субботу, 14 января, и теперь SpaceX может вздохнуть спокойно и продолжать оказывать пусковые услуги после неудачи в прошлом году. На орбиту выведены 10 спутников-ретрансляторов оператора Iridium, которые позволят осуществлять связь между клиентами на земле, море и в небе. Полет возвращения начинает насыщенный список[…]
НАСА подписало соглашение о создании и разработке жилого модуля для проекта «Врата»
Астрофизики увидели, как из чёрной дыры рождается джет
С помощью космического телескопа «РадиоАстрон» удалось с беспрецедентной точностью рассмотреть, каким образом идёт испускание потока плазмы (джета) в области центральной чёрной дыры галактики «Персей A». Ранее технической возможности увидеть этот процесс не было.
Международная команда исследователей, включающая учёных ФИАН, МФТИ и МГУ, с беспрецедентной точностью визуализировала образование струи плазмы в окрестности массивной чёрной дыры.
Радиоизображение, полученное в ходе совместной работы телескопов в космосе и на Земле, позволило восстановить структуру струи с потрясающей детализацией (на уровне в пару сотен радиусов чёрной дыры). Астрономам достичь такого разрешения удалось впервые. Полученные данные помогут астрофизикам уточнить взгляды на формирование джетов. Работа опубликована в журнале Nature Astronomy.
Массивные чёрные дыры в центрах галактик превосходят Солнце по массе в миллиарды раз. Известно, что некоторые из этих массивных чёрных дыр выбрасывают струи плазмы, которая течёт со скоростью, близкой к скорости света. Такие струи плазмы — джеты (полярные струйные течения) — формируются в окрестности чёрной дыры и могут выходить далеко за пределы родной галактики. Над вопросом о том, как формируются джеты, астрофизики бьются многие годы. Долгое время не было технической возможности увидеть структуру этих струй достаточно близко к месту их зарождения, что необходимо для прямого сравнения информации, полученной из наблюдений, с теоретическими моделями образования джетов. Полученные из наблюдений «РадиоАстрона» данные позволят проверить теоретические модели и зададут дальнейшее направление их развития.
Фантазия художника на тему «Центр активной галактики с аккреционным диском и яркой узкой симметричной струёй». Источник: Вольфганг Штеффен, Институт астрономии Национального автономного университета Мексики.
Одна — модель Блэнфорда — Знаека. В центре галактики находится сверхмассивная чёрная дыра массой в миллиарды масс Солнца. Она вращается, вокруг неё вращается аккреционный диск. Часть падающего на неё из аккреционного диска вещества, которая не засасывается чёрной дырой, выбрасывается наружу в виде струи. То есть узкий джет формируется благодаря крутящему моменту, получаемому от центральной сверхмассивной чёрной дыры.
С этим представлением многие годы конкурировала модель Блэнфорда — Пейна. В рамках этой модели считается, что формирование горячих выбросов плазмы возможно через крутящий момент, уносимый от аккреционного диска. То есть сама чёрная дыра не играет ключевой роли в формировании джета.
До последнего времени астрофизики, занимающиеся далёкими галактиками, отдавали предпочтение модели Блэнфорда — Знаека: они склонялись к тому, что джеты в галактиках формируются центральной сверхмассивной чёрной дырой.
Международная команда исследователей из восьми стран с помощью космического телескопа «РадиоАстрон» получила изображения джета, зарождающегося в окрестности центральной чёрной дыры галактики «Персей A», с ультравысоким угловым разрешением. Астрономам удалось получить детальное изображение основания джета в 10 раз ближе к границе чёрной дыры, чем это было возможно с наземными инструментами. Впервые получилось выявить новые детали области формирования струи.
Полученные данные являются серьёзным аргументом в пользу гипотезы о том, что джет может формироваться с участием аккреционного диска. Возможно, что вклад в этот процесс от аккреционного диска даже является основным.
Соавтор исследования, заведующий лабораторией в МФТИ и ФИАН, член-корреспондент РАН Юрий Ковалев пояснил:
«Мы публикуем первую карту «РадиоАстрона» для объекта, находящегося так близко к нам. Из-за его близости реализуемое линейное разрешение составляет величину всего лишь 12 световых дней на расстоянии 70 мегапарсек, или 230 миллионов световых лет!
Благодаря такому беспрецедентному разрешению «РадиоАстрона» мы увидели, что джет сразу стартует широким и имеет цилиндрическую форму. Быть с самого начала широким он может только при условии, если в его формировании значительную роль сыграл аккреционный диск. Это первый результат, который указывает на важность вклада диска».
Раньше, из-за ограничения параметров наземных телескопов, астрономы не имели такого высокого углового разрешения при наблюдении джетов, поэтому не могли измерить ширину джета в его основании. Предполагалось (и эта точка зрения была основной), что джеты стартуют узкими, и, следовательно, они формируются центральной чёрной дырой.
Благодаря возможностям «РадиоАстрона» авторы работы обнаружили, что ширина джета в самом основании составляет порядка тысячи радиусов Шварцшильда (этот радиус определяет размер горизонта событий чёрной дыры). А ведь, согласно устоявшимся представлениям, размер джета у его основания должен быть как минимум на порядок меньше.
«Это может означать, что, по крайней мере, внешняя часть струи запускается с аккреционного диска, окружающего чёрную дыру. Наш результат ещё не опровергает текущие гипотезы, в которых джеты запускаются из эргосферы — области пространства рядом с вращающейся чёрной дырой.
Но, надеюсь, он даст теоретикам представление о структуре струи вблизи места запуска и подскажет, как модернизировать модели», — заключает доктор Туомас Саволайнен (фин. Tuomas Savolainen) из Университета Аалто (фин. Aalto-yliopisto, швед. Aalto-universitetet) в Финляндии.
Загадка физики: джеты, или струи плазмы в ядрах галактик
Астрофизики наблюдают за джетами, как называют струи, вырывающиеся с релятивистскими скоростями из ядер активных галактик, уже несколько десятилетий. Но вывести наблюдения на качественно новый уровень удалось лишь в последние несколько лет. Чтобы получить в хорошем угловом разрешении изображение объекта, находящегося от нас на расстоянии тысяч, а то и миллионов световых лет, используется метод интерферометрии со сверхдлинными базами, или VLBI (от англ. Very Long Baseline Interferometry). «Этот метод позволяет совмещать наблюдения разных обсерваторий, находящихся на большом удалении друг от друга, тем самым создавая что-то вроде единого гигантского радиотелескопа», — рассказывает Елена Нохрина, старший научный сотрудник МФТИ и руководитель проекта «Исследование распространения излучения в струйных выбросах из активных ядер галактик», недавно получившего поддержку российского Фонда фундаментальных исследований.
Раньше базовые размеры «виртуальных» интерферометров не превышали расстояний между континентами, но в 2011 году в рамках международного проекта «Радиоастрон» на высокоапогейную орбиту был запущен российский спутник «Спектр-Р» с радиотелескопом с приемной параболической антенной диаметром 10 м (по этому параметру он превосходит знаменитый «Хаббл»). Аппарат то приближается к Земле, то удаляется на расстояние 340 000 км — это почти столько же, сколько до Луны, чье гравитационное притяжение, кстати, используется для поворота плоскости орбиты спутника.
Получившийся в итоге грандиозный наземно-космический интерферометр проекта «Радиоастрон», можно сказать, раскрыл астрофизикам глаза. Впервые за всю историю астрономических наблюдений удалось достичь невероятного углового разрешения — до миллионных долей секунды. С проектом сотрудничают десятки обсерваторий из Германии, Италии, Китая, США, Японии. Научный руководитель «Радиоастрона» — наш соотечественник Юрий Ковалев. Чем больше мы узнаем об устройстве джетов, тем более странными они кажутся. «На одной из конференций Мэтт Листер, известнейший астрофизик, возглавляющий программу Mojave по мониторингу ядер нескольких сотен активных галактик, говорил, что его беспокоят последние наблюдения ядер, ломающие общепринятую модель физических параметров и излучения джетов», — вспоминает Елена Нохрина.
За миллион световых лет
Давным-давно, в далекой-далекой галактике бушевали. нет, не «Звездные войны», а куда более масштабные явления. Джеты возникают в центрах молодых активных галактик, где вращаются сверхмассивные черные дыры с массами порядка 106−109 масс Солнца. Типичные расстояния до них — гигапарсеки (1 парсек равен 3,2616 светового года), поэтому то, что мы наблюдаем, происходило в далеком прошлом.
Первоначально астрофизикам казалось, что джеты появляются довольно просто. Молодая галактика, в которой не закончились процессы формирования звезд, наполнена разнообразными космическими «строительными материалами» — газами, пылью, разреженной плазмой. Черная дыра формирует вокруг себя так называемый аккреционный диск, в котором слои вещества трутся друг о друга и, замедляясь, падают на ее поверхность. В какой-то момент наступает предел, когда аккреция больше не может продолжаться. Поскольку внешние слои диска давят на внутренние, лишнее вещество может выбрасываться только в двух направлениях, под и над диском, по оси вращения. «Но сейчас мы видим, что такая модель не дает полного представления о формировании струй, — сетует Нохрина. — Во-первых, они слишком узкие. Во-вторых, слишком быстрые. И наконец, они гораздо ярче, чем мы ожидали. Честно говоря, порой кажется, что мы не знаем о джетах вообще ничего».