Джеты галактик или релятивистские струи

Джеты – струи плазмы, вырывающиеся из центральных областей некоторых космических тел

Объяснить, что такое джет очень просто, а вот понять, что это такое – наоборот, очень сложно. Начнем с простого.

Джеты – струи плазмы, вырывающиеся из центральных областей некоторых небесных тел. Самые мощные джеты наблюдаются у квазаров – галактик с наиболее активными ядрами. В центрах таких галактик находятся черные дыры с массами в миллиарды масс Солнца.

Центральное ядро галактики, сжавшееся до состояния черной дыры, сохраняет свой момент вращения и поэтому очень быстро вращается, захватывая во вращение падающее на него вещество. Падая в черную дыру по спирали, оно вращается все быстрее и быстрее, все сильнее разогревается от трения и превращается в итоге в горячую плазму. Так образуются аккреционный диск и его спиральное магнитное поле.

Джет сверхмассивной черной дыры в центре эллиптической галактики Геркулес А. Снимок скомбинирован из снимков телескопа Hubble и радиотелескопом VLA.

Аккреционные диски существуют у всех активных галактик, но только у некоторых наблюдаются джеты – узкие стремительные потоки плазмы, движущиеся в противоположные стороны вдоль оси вращения аккреционных дисков со скоростями, близкими к скорости света. Их длина может достигать десятков тысяч световых лет!

Излучение джетов – нетепловое, преимущественно синхротронное. Оно возникает при движении релятивистских электронов и других заряженных частиц в магнитных полях. Магнитное поле джетов – спиральное, как и у аккреционных дисков. Именно магнитное поле создает коллимированное излучение и обеспечивает устойчивость джетов.

Распространяясь всё дальше и дальше, джеты постоянно испытывают на себе сопротивление межзвёздной среды, которая заставляет их замедляться и рассеиваться.

Джеты активно исследуются учеными всего мира, но пока условия их образования остаются предметом дискуссий.

Почему не у всех объектов, имеющих аккреционные диски, возникают джеты? Каковы физические процессы, приводящие к образованию джетов? Черпают ли джеты энергию из черной дыры, замедляя ее вращение? Где рождается джет: у горизонта событий черной дыры или в аккреционном диске? Чьим магнитным полем формируется джет: аккреционного диска или черной дыры? Может ли черная дыра иметь магнитное поле?

На последний вопрос отвечает научный сотрудник Института Ядерной физики Сибирского отделения РАН: «Черная дыра характеризуется массой, моментом импульса и электрическим зарядом. Магнитное поле рядом с ней связывают с аккреционным диском, а не с ней самой. В принципе, если в природе существует магнитный заряд (монополь), то черная дыра может иметь еще одну характеристику – магнитный заряд». Таким образом и этот вопрос остается открытым.

Джет на рентгеновском снимке галактики Центавр А, составленный из фотографий космической рентгеновской обсерватории «Чандра»

Исходным материалом для ответов на эти и другие вопросы служат наблюдения, которые проводятся наземными и космическими обсерваториями во всех диапазонах длин волн от гамма- до радиоизлучения. О параметрах магнитных полей джетов судят по характеристикам поляризации их синхротронного излучения.

Приведем примеры некоторых наблюдений, подтверждающих образование джетов в аккреционных дисках.

Группа российских астрофизиков Физического института Академии Наук и МФТИ обнаружила, что координаты некоторых квазаров, полученные космическим аппаратом Гайя, не совпадают с координатами, определяемыми при помощи наземных радиоинтерферометров. Во втором случае они немного смещены в сторону джетов.

Астрометрическая космическая обсерватория Гайя проводит наблюдения в видимой области спектра и выдает координаты самой яркой точки в центре наблюдаемой галактики, возможно, она совпадает с областью соприкосновения аккреционного диска с черной дырой (размер черной дыры в масштабе наблюдений – точка).

Радиоинтерферометрические наблюдения позволяют не только определять координаты, но и строить изображения центральных областей галактик и джетов, оценивать ряд их параметров. Возможно, что координаты наиболее яркой точки, полученные в радиодиапазоне, относятся к основанию джета, расположенном в аккреционном диске.

Наблюдатели собираются проследить, как будут изменяться координаты и яркость наблюдаемых объектов за время работы космического аппарата Гайя.

Международная группа ученых, включающая российских специалистов ФИАН, МФТИ, ГАИШ МГУ, получила исключительно детальное изображение джета сверхмассивной черной дыры галактики Персей А при помощи интерференционной системы из 40 наземных радиотелескопов и космической обсерватории Радиоастрон.

«Понять, что именно является источником джета, удалось за счет беспрецедентно высокого разрешения снимка, сделанного в радиодиапазоне, — оно составило 12 световых дней для дистанции в 230 миллионов световых лет. Такое разрешение позволило увидеть, что джет сразу, у самого своего основания стартует широким, цилиндрической формы потоком плазмы. Это нереально, что вещество джета выбрасывается от черной дыры — там просто недостаточно места для широкого основания джета, да и сильные гравитационные поля должны сильно искажать его форму. Согласно новым наблюдениям, ширина джета у самого основания равна тысячам радиусов горизонта событий черной дыры, и поэтому ею самой он порожден быть не может. Такая структура джета может быть только при условии, если в его формировании значительную роль сыграл аккреционный диск.»

Очень интересные, но гораздо менее энергичные джеты наблюдаются у звезд. Например, у некоторых старых двойных звезд, из которых одна – нейтронная звезда или черная дыра, которая «намотала» на себя вещество соседней звезды.

Эмиссия джета двойной звезды Aql X-1 наблюдается в широком диапазоне длин волн от радио до рентгена. Один из компонентов – нейтронная звезда, а не черная дыра. Этот факт также подтверждает, что джеты могут образовываться не на поверхности черных дыр, а в аккреционных дисках.

Возможно образование джетов и у одиночных протозвезд. В заключение приведем примеры некоторых из них.

Звезды образуются путем гравитационного сжатия сгустков межзвездной среды. При этом сохраняется момент вращения сгустка и усиливается его магнитное поле. Вокруг центрального плотного тела образуется аккреционный диск, который может создать джеты.

Джет HH 111 – объекта Хербига-Аро в созвездии Ориона

Молодой объект НН 24 находится в комплексе молекулярных облаков Орион В. Он испускает два иглоподобных джета: «Прорезая межзвездную среду, узкие высокоэнергичные джеты создают на своем пути серию светящихся ударных фронтов».

Наблюдение джета протозвезды Карма-7 производилось на большом радиоинтерферометре Альма. Вспышки в струе джета вызваны падением на протозвезду вещества из вращающегося вокруг неё диска.

Другой объект, НН 212 из созвездия Ориона, наблюдался в инфракрасном диапазоне на Европейской южной обсерватории. Его аккреционный диск обращен ребром к наблюдателю.

Источник: статья с сайта http://spacephys.ru