Что такое джеты в космосе
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.
Спросите Итана: как джеты чёрных дыр превращаются в космические пузыри?
Чтобы разогнать частицы до скорости, близкой к световой, вам необходим мощный источник энергии. В космосе звёзды могут разгонять частицы до довольно больших энергий, а взрывы сверхновых – создавать ещё более сильные вспышки. Самые сильные постоянные источники высокоэнергетических частиц – сверхмассивные чёрные дыры, встречающиеся в центрах крупнейших галактик. Но читатель, рассматривая структуры на крупнейших масштабах Вселенных, кое-чего не смог понять:
Мне очень понравилось видео с симуляции Illustris [компьютерная космологическая симуляция формирования галактик], настолько, что я нарыл её описание. И удивился: «То, что кажется взрывами, на самом деле исходит от сверхмассивных чёрных дыр, отправляющих потоки материала в межгалактическое пространство, вырезая при этом огромные пузыри». Это мне непонятно, поскольку я думал, что эти потоки материала летят по направлению одной оси, а не вырисовывают сферы.
Если кто из вас не видел её, то вот вам симуляция от проекта Illustris, показывающая эволюцию крупномасштабных структур, тёмной материи, газа и обычной материи, от самых ранних этапов развития Вселенной до наших дней.
На видео, примерно с момента 1:08, а особенно с момента 1:25, когда там появляется тёмная материя рядом с газом, заметны взрывы, происходящие в крупнейших узлах крупномасштабной структуры Вселенной. Их можно принять за взрывы сверхновых, но на самом деле такие взрывы случались бы слишком часто – по нескольку десятков тысяч раз на каждый кадр симуляции. Мы ведь и тёмную материю не можем увидеть, но симуляция демонстрирует её, чтобы помочь нам понять явление, оказывающее гравитационное взаимодействие. А если вам интересно, чем отличаются гравитационные эффекты от формирования структур и эффекты нормальной материи – находящейся в большинстве своём в форме газа – симуляция может продемонстрировать и это.
Тогда как тёмная материя формирует эти простые нитевидные структуры, управляемые лишь гравитационным притяжением и расширением Вселенной, физика нормальной материи – газа из протонов, нейтронов и электронов – гораздо сложнее. Газ не только собирается в комки, позволяющие ему формировать звёзды, галактики и скопления галактик, он также чувствителен к целому набору электромагнитных сил. Это значит, что на малых масштабах он кучкуется сильнее тёмной материи, а на больших межгалактических и межскопленческих масштабах он более рассеян, поскольку газ (и ионизированный газ в виде плазмы) может разгоняться до огромных скоростей.
Видео с четырьмя панелями демонстрирует звёзды и видимый свет, который должен зарождаться в регионе космоса размером в 33 миллиона световых лет в левой верхней панели, плотность газа в правой верхней, и – что самое важное – температуру газа в левой нижней панели. Обратите внимание на то, как температура газа повышается в местах тех самых сферических взрывов, появляющихся в основном из-за сверхмассивных чёрных дыр. Есть и другие важные механизмы разогрева газа и обратной связи, но конкретно эти особенности происходят из-за взрывов сверхмассивных чёрных дыр, продолжающихся от миллионов до сотен миллионов лет.
Галактика Центавра А, композиция из видимого света, инфракрасного и рентгеновского излучения
Но я понимаю, почему вы ожидаете, что этот разогрев примет форму сведённых в пучки потоков, поскольку именно это мы и наблюдаем, смотря, например, на сверхмассивные чёрные дыры в сердце галактики Центавра А, или в гигантской эллиптической галактике Мессье 87, ниже.
Галактика М87 и сильно коллимированный поток длиной 5000 световых лет
Так что, если материя в этих потоках ускоряется по таким сильно концентрированным линейным пучкам, почему же газ нагревается и расширяется таким очевидно сферическим манером? Чтобы ответить на этот вопрос, я попрошу вас подумать о том, о чём вы обычно не вспоминаете: о том, что видимая нами Вселенная не совпадает с реальной. К примеру, вот фото той же самой галактики, М87, и её джета, видимых в рентгеновском диапазоне телескопом Чандра (синий) и в радиоволнах телескопом VLT (красный), вместо того изображения, полученного телескопом Хаббла в видимом и ультрафиолетовом диапазонах.
И это уже никакие не джеты, не так ли? Они не сферические, но однозначно не вытянуты в линию. Причин тому две:
1. Газ и обычная материя постоянно притягиваются крупными галактиками и всеми крупномасштабными структурами, и большая часть спокойно проходит через этот джет.
2. Даже если галактика не двигается, то газ на её окраине крутится и совершает необычные движения, что приводит к его равномерному распределению.
Даже наш Млечный путь, со своей довольно спокойной и небольшой сверхмассивной чёрной дырой, демонстрирует два огромных лепестка высокоэнергетического излучения, обнаруженные телескопом Ферми.
Активное исследование, изучавшее излучение огромного количества источников, очень далеко продвинулось не только благодаря использованию цифровых симуляций, включая и проект Illustris, но и в предшествовавшие их появлению годы. В тех расцветающих взрывах в симуляции Illustris, вы наблюдаете не видимый свет, а температуру газа, и происходящим мы обязаны ответной реакции чёрных дыр. Это должно служить напоминанием о том, что когда мы смотрим во Вселенную, как посредством обсерваторий, так и через симуляции, в ней происходит гораздо больше событий, чем это заметно благодаря достигающему наших глаз свету звёзд.
И хотя видимый свет может испускаться только узким участком джета, специфическое движение окружающего его газа вкупе с простейшими физическими эффектами теплопередачи делает всё, чтобы энергетический газ распределялся по всему пространству, а не только по прямым линиям. Важно помнить, что видимые вами взрывы – это не видимый свет или материя; это иллюстрации температуры газа, и именно эти взрывы и происходят вокруг активных чёрных дыр!
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».
Что такое джеты в космосе
© Деришев Е.В., Железняков В.В., Корягин С.А., Кочаровский Вл.В.
Релятивистские джеты в астрофизике
Е.В.Деришев, В.В.Железняков, С.А.Корягин, Вл.В.Кочаровский
Владимир Васильевич Железняков, академик, д.ф.-м.н., зав. отд. астрофизики и физики космической плазмы ИПФ.
Владимир Владиленович Кочаровский, член-корр. РАН, д.ф.-м.н., зав. сект. плазменной астрофизики ИПФ.
Салютуют черные дыры
Наша Галактика находится на окраине типичного скопления галактик, в центре которого располагается большая эллиптическая галактика M87. Еще в начале прошлого века астроном Х.Куртис разглядел на правильном эллиптическом профиле M87 «странный прямой луч». Позднее выяснилось, что луч представляет собой струю, или джет, бьющую из центра галактики. Великолепное оптическое изображение этого джета было получено космическим телескопом «Хаббл» (рис.1). Наилучшим образом джет виден в радиодиапазоне, где не мешает излучение звезд. Джет просматривается начиная с расстояния порядка парсека от центра M87, сравнимого с дистанцией между звездами, вплоть до нескольких десятков килопарсеков, что даже больше диаметра галактики. Радиоизображения свидетельствуют о наличии двух джетов, вытекающих в противоположные стороны. Джеты снабжают высокоэнергичными частицами широко разнесенные протяженные области радиоизлучения. Линейный размер последних превышает диаметр звездной составляющей галактики, видимой в оптическом диапазоне. Именно эти области дают основной вклад в общее мощное радиоизлучение M87, благодаря которому ее относят к радиогалактикам.
Рис. 1. Джет в галактике M87.
Оптическое изображение, полученное космическим телескопом «Хаббл» ( слева ),
и радиоизображения, полученные радиотелескопами VLA и VLBI ( справа ).
Подобные галактики имеют активные ядра, среди которых астрономы выделяют несколько типов 4. Тип определяется как степенью активности ядра, так и ориентацией его структурных элементов (рис.2) относительно луча зрения. Излучение активного ядра составляет заметную долю излучения остальной части галактики, а в квазарах даже превышает этот уровень.
Рис. 2. Основные структурные элементы активного ядра галактики и микроквазара:
джеты, аккреционный диск и центральная черная дыра.
Электромагнитное излучение помимо интенсивности характеризуется также направлением электрического поля в волне, или поляризацией. В синхротронном излучении электрическое поле направлено перпендикулярно статическому магнитному полю, в котором вращается электрон. Поэтому по поляризации наблюдаемого радиоизлучения джета можно определить направление магнитного поля в нем. В ряде случаев оказалось, что магнитное поле джета имеет винтовую структуру.
Рис. 3. Измерение скорости объекта, движущегося в сторону наблюдателя.
Джеты интенсивно взаимодействуют с межзвездной и межгалактической средой. Места столкновения джета с межгалактической средой отличаются повышенной яркостью и видны как яркие точки в вершинах протяженных областей радиоизлучения (рис.4).
Рис. 4. Столкновение джетов радиогалактики Лебедь А с межгалактической средой.
Изображение получено на телескопах Национальной радиоастрономической обсерватории в США (NRAO/AUI/NSF).
Из чего состоят джеты?
Решить фундаментальную проблему корпускулярного состава релятивистских джетов могут помочь радиоастрономические исследования этих объектов 10. Известно, что синхротронное излучение отдельных электронов и позитронов обладает очень высокой степенью линейной поляризации (порядка 70%) и пренебрежимо малой степенью круговой поляризации. При этом поляризации излучения частиц обоих видов практически одинаковы. Но поляризация наблюдаемого излучения джета зависит и от характера электромагнитных волн в плазме. Например, в обычной электрон-протонной плазме плоскость поляризации излучения будет испытывать так называемое фарадеевское вращение по пути распространения, тогда как в электрон-позитронной плазме эффект Фарадея отсутствует. Таким образом, состав плазмы в джете может существенно влиять на поляризацию его радиоизлучения.
Окончательные выводы о корпускулярном составе джета можно сделать, только зная поляризацию его радиоизлучения по всему частотному спектру. К сожалению, столь детальные исследования пока вне возможностей современных радиоастрономических средств. Сегодня приходится комбинировать имеющиеся сведения о поляризации на отдельных частотах и о спектральной интенсивности радиоизлучения [10].
Идея определения состава плазмы основана на том, что интенсивность излучения источника в джете зависит от суммы концентраций релятивистских электронов и позитронов, но не от концентрации холодной фракции. Угол поворота, напротив, задается разностью концентраций релятивистских электронов и позитронов (частицы с разными знаками заряда вращают плоскость поляризации в разные стороны) и весьма чувствителен к концентрации нерелятивистских электронов. Так, при равной концентрации релятивистских и нерелятивистских электронов именно последние играют главную роль в повороте плоскости поляризации.
Анализ состава плазмы удобно провести с помощью диаграмм, представленных на рис.5. Диаграммы построены для двух предельных случаев: присутствуют только холодная фракция и релятивистские электроны (но без позитронов) или холодная фракция сочетается с релятивистскими электрон-позитронными парами. Данные наблюдений, о которых шла речь, ограничивают области допустимых параметров плазмы в джете. Верхняя граница этих областей определяет максимальное возможное относительное содержание холодных электронов в джете. С ростом яркостной температуры излучения эта граница опускается вниз, а с увеличением угла поворота поляризации поднимается вверх. Отсюда ясно, что высокое содержание релятивистских частиц следует ожидать в ярких джетах с малым углом поворота плоскости поляризации.
Как частицы ускоряются
Источником наблюдаемого излучения джетов, повторим, служит высокоэнергичная фракция электронов (и позитронов в случае электрон-позитронной плазмы). Она возникает в результате передачи энергии заряженным частицам, т.е. их ускорения, посредством электромагнитных полей в неоднородной и нестационарной плазме. Важнейшую роль здесь играют крупномасштабные неоднородности плотности или скачки гидродинамической скорости плазмы, например в сдвиговых течениях и бесстолкновительных ударных волнах. Сдвиговые течения возникают в слоях, где джет граничит с прилегающим межзвездным веществом; ударные волны формируются в области торможения джета окружающей средой или даже внутри него [1, 3, 6, 8]. И те, и другие приводят к ускорению определенной (малой) доли заряженных частиц всех сортов.
Однако в релятивистской ударной волне, скорость которой близка к скорости света, рассмотренный механизм ускорения оказывается неэффективным. Причин этому две. Во-первых, гидродинамическая скорость течения за фронтом релятивистской ударной волны равна одной трети скорости света, так что регулярный снос частиц преобладает над их диффузионным смещением и поэтому они практически не имеют шансов вернуться к фронту и продолжить ускорение. Во-вторых, при сжатии плазмы в ударной волне увеличивается параллельная фронту компонента вмороженного магнитного поля, тогда как перпендикулярная компонента остается неизменной. При этом дрейфовая скорость частиц, связанная с неоднородностью магнитного поля, направлена приблизительно параллельно фронту, а частицы движутся по циклоидам, не пересекающим его. До недавнего времени эти проблемы оставались нерешенными и не позволяли объяснить происхождение ускоренных частиц и, следовательно, мощное излучение релятивистских джетов.
Тем не менее эффективное ускорение частиц в релятивистских ударных волнах и сдвиговых течениях все же возможно [12]. Парадоксально, но главную роль здесь играет взаимодействие ускоряемых частиц с фотонными полями в джетах, которое обычно рассматривается лишь как помеха, дополнительный канал потери энергии. Дело в том, что при определенных условиях столкновения с фотонами можно трактовать как механизм случайного «выключения» и «включения» электрического заряда частиц. Проходя через фронт ударной волны и отражаясь от неоднородностей магнитного поля, заряженная частица увеличивает свою энергию, а затем, после встречи с фотоном, становится нейтральной, что позволяет ей вернуться к фронту без препятствий со стороны магнитного поля. Оказавшись перед ударной волной, частица вновь становится заряженной, так что весь цикл ускорения повторяется снова и снова (рис.6). Такой механизм ускорения частиц называется конверсионным; вычисления показывают, что он играет важнейшую роль в излучении и динамике релятивистских джетов [12, 13].
Рис. 6. В конверсионном механизме ускорения частица покидает ударную волну, будучи нейтральной (момент времени 1), и движется прямолинейно до своего превращения в заряженную (момент 2). За это время частица обгоняет фронт ударной волны на некоторое расстояние, так что у нее появляется достаточный запас времени, чтобы развернуться в магнитном поле прежде, чем она будет вновь подхвачена ударной волной (момент 3). Положения частицы и фронта ударной волны в соответствующие моменты времени отмечены цифрами 1, 2 и 3.
Аналогичная цепочка превращений существует и для протонов. Фотоны, энергия которых превышает 350 МэВ в системе покоя протона, могут возбуждать его внутренние (кварковые) степени свободы. Возбужденный адрон моментально распадается на нуклон и пион. Приблизительно в трети случаев образуется заряженный пион, а протон превращается в нейтрон. Обладая аналогичной кварковой структурой, нейтроны взаимодействуют с фотонами по той же схеме, т.е. переходят в протоны. Побочным продуктом протон-нейтронного цикла становятся высокоэнергичные заряженные пионы, распад которых приводит к появлению вторичных электронов и позитронов, а также нейтринного излучения.
Интересно отметить, что при конверсионном ускорении частицы достигают такой энергии всего за 2-4 прохода через фронт ударной волны. При обычном диффузионном ускорении для этого потребовалось бы много десятков проходов; соответственно умножаются и трудности реализации такого механизма. Пояснить различие можно следующим образом. Скорость частиц, покидающих релятивистскую ударную волну, в неподвижной системе отсчета направлена почти параллельно скорости ударной волны. Однако траектория заряженных частиц немедленно начинает искривляться под действием магнитного поля, и как только угол между скоростью частицы и направлением движения ударной волны становится порядка ее обратного лоренц-фактора, фронт волны догоняет убежавшую частицу и завершает цикл ускорения. Результатом цикла становится увеличение энергии частицы примерно вдвое. При конверсионном ускорении частица покидает ударную волну, будучи нейтральной, и движется прямолинейно до своего превращения в заряженную. За это время частица обгоняет фронт ударной волны на некоторое расстояние, так что у нее появляется достаточный запас времени, чтобы развернуться в магнитном поле прежде, чем она будет вновь подхвачена ударной волной. В итоге конверсионный цикл ускорения увеличивает энергию частицы не вдвое, а в квадрат лоренц-фактора ударной волны раз.
Взгляд на джет со стороны
Это явление помогает понять, например, феномен запаздывающего жесткого излучения гамма-всплесков. Задержка в данном случае имеет геометрическую природу: обладая уширенной диаграммой направленности, указанное излучение приходит от более широкого сегмента сферической ударной волны, края которого находятся дальше от наблюдателя, чем центральная часть.
Уширение диаграммы направленности может также объяснить регистрацию так называемых неидентифицированных источников жесткого гамма-излучения (большое количество таких источников обнаружено космическим телескопом EGRET в 1992-1994 гг.). Они, вероятно, связаны с теми квазарами, джеты которых ориентированы под большими углами к направлению на Землю и поэтому не создают заметного излучения в более низкочастотных диапазонах, где излучение джета является узконаправленным. Широконаправленным может быть и высокоэнергичное нейтринное излучение релятивистских джетов, сопровождающее распад пионов, которые образуются при неупругих столкновениях протонов и нейтронов. Стремительное развитие нейтринной, рентгеновской и гамма-астрономии позволяет надеяться на скорое обнаружение излучения, свойственного конверсионному механизму ускорения, и тем самым на выяснение физических условий в релятивистских джетах.
Подробнее о механизмах излучения
Вообще говоря, синхротронную и комптоновскую компоненты нельзя рассматривать независимо [15]. Между ними существует тесная связь: обе они суть излучение одних и тех же высокоэнергичных электронов и позитронов, функция распределения которых испытывает обратное влияние со стороны излучения обоих видов. Наибольший интерес представляет случай эффективного излучения, когда за характерное время эволюции джета частицы успевают излучить значительную часть своей энергии. Тогда формируется квазистационарное распределение частиц, вид которого определяется как зависимостью темпа радиационных потерь от их энергии, так и свойствами источника частиц (его роль играет, например, ударная волна, поставляющая ускоренные электроны внутрь джета).
Синхротронные потери пропорциональны квадрату энергии излучающих частиц, а комптоновские потери зависят еще и от спектра низкочастотного излучения (основной вклад в величину потерь вносят фотоны с частотой ниже так называемого порога Клейна-Нишины). Пороговая частота обратно пропорциональна энергии частиц, т.е. влияние порога максимально для высокоэнергичных частиц и практически отсутствует для низкоэнергичных. Соответственно, для частиц с энергией ниже некоторой преобладают комптоновские потери; для остальных главным каналом потерь оказывается синхротронное излучение. Величина граничной энергии зависит от нескольких факторов, в том числе и от мощности источника частиц. Таким образом, даже простое изменение количества ускоряемых электронов и позитронов при прочих равных условиях влияет на положение как синхротронного, так и комптоновского максимумов в спектре наблюдаемого излучения.
Рис. 7. Схема синхротронно-комптоновского механизма излучения. По известному энергетическому распределению электронов (нижний график) можно однозначно восстановить спектр их синхротронного излучения (левая часть верхнего графика), причем на каждой частоте w основной вклад приходится на группу электронов ( g 1 ), у которых максимум синхротронного спектра близок к этой частоте. В то же время фотоны частоты w соответствуют порогу Клейна-Нишины для другой группы электронов ( g 2 ) и, если он расположен на растущей части спектра, определяют их комптоновские потери. Последние, в свою очередь, диктуют спектр комптоновского излучения в области частот порядка g 2 2 w и влияют на вид функции распределения электронов.
Мы смогли рассказать здесь лишь об отдельных фрагментах мозаики, которым предстоит сложиться в полную картину, включающую все аспекты происхождения и структуры релятивистских джетов. Предстоит, потому что многие части мозаики еще далеки от понимания, а наблюдательные данные пока довольно бедны. Однако даже те детали, которые уже ясны, демонстрируют разнообразие и богатство физических представлений, необходимых для объяснения природы столь масштабного явления во Вселенной, как релятивистские джеты.
1. Relativistic Jets in AGNs // Proceedings of the International Conference. Cracow, May 27-30 1997 / Eds. M.Ostrowski, M.Sikora, G.Madejski, M.Begelman.
2. Whitney A.R., Shapiro I.I., Rogers A.E.E. et al. // Science. 1971. V.173. P.225-230.
3. Urry C.M., Padovani P. // Publications of the Astronomical Society of the Pacific. 1995. V.107. P.803-845.
4. Blandford R.D. // Progress of Theoretical Physics Supplement. 2001. №143. P.182-201.
5. Mirabel I.F., Rodriguez L.F. // Nature. 1994. V.371. P.46-48.
6. Fender R.P. Jets from X-ray binaries // Compact Stellar X-ray Sources / Ed. W.H.G.Lewin, M.van der Klis. Cambridge, 2006. P.381; astro-ph/0303339.
7. Постнов К.А. // УФН. 1999. Т.169. №5. С.545-558.
8. Jones T.W., O’Dell S.L. // Astronomy and Astrophysics. 1977. V.61. P.291-293.
9. Железняков В.В., Корягин С.А. // Письма в Астрономический журнал. 2002. Т.28. С.809-828.
10. Железняков В.В., Корягин С.А. // Письма в Астрономический журнал. 2005. Т.31. С.803-818.
11. Бережко Е.Г., Крымский Г.Ф. // УФН. 1988. Т.154. №1. С.49-91.
12. Derishev E.V., Aharonian F.A., Kocharovsky V.V., Kocharovsky Vl.V. // Physical Review D. 2003. V.68. P.043003(1-10).
13. Stern B.E. // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2003. V.345. №2. P.590-600.
14. Derishev E.V., Aharonian F.A., Kocharovsky Vl.V. // The Astrophysical Journal. 2007. V.65. №1 (in press);