Лаборатория космических исследований

Ульяновская секция Поволжского отделения Российской Академии Космонавтики им. К. Э. Циолковского

Ульяновский Государственный Университет
О джетах

 

 

 

  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.

 

 

 

 

 

Рис. 1. Фото КА Хаббла

   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 горячую плазму. Так образуются аккреционный диск и его спиральное магнитное поле.

   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. (Радиогалактика в созвездии Лебедя - рис. 2)

Рис. 2.

   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.

   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.

   Недавно 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.» (рис. 3)

Рис. 3.

   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.

   Молодой объект НН 24 (рис. 1) 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 (рис. 4). Вспышки  в струе джета вызваны падением на протозвезду вещества из вращающегося вокруг неё диска.

Рис. 4.

   Другой объект, НН 212 из созвездия Ориона, наблюдался в инфракрасном диапазоне на Европейской южной обсерватории. Его изображение представлено на рис 5. Его аккреционный диск обращен ребром к наблюдателю.

Рис. 5.

Джеты, действительно, очень интересные объекты. Особенно интересны джеты со скоростями, сравнимыми со скоростью света, так называемые релятивистские джеты. 

Материал  в сообщении очень интересный. Однако появление джета при наличии диска вокруг массивного, но очень компактного объекта, который в настоящее время называют черной дырой, можно объяснить вполне прозаично.

Как было показано в статье, джеты могут возникать как множество частиц, падающих на тяготеющий центр в диске аккреции, но имеющих, по тем или иным причинам, небольшие скорости, перпендикулярные плоскости диска. В этом случае траектории частиц пыли будут гиперболическими.  А одной из асимтотических ветвей гиперболы является ось вращения компактного объекта. Это изображено на рисунке. Конечно, не всегда ясно то, почему частицы в диске приобретают скорости, перпендикулярные диску. Но это всегда можно отнести к различным флуктуациям в движении.

 

 

 

Уравнение таких гипербол можно записать в виде: $$x=t\cos{\phi_0},\quad y=t\sin{\phi_0},\quad z=\frac{1}{t}(-kt^2+ct), $$
    где $c$ и $k$ - интегралы движения, одинаковые для всех характеристик. Отдельные характеристики отличаются только значением интеграла движения $\phi_0$.

 

Уважаемый zhvictorm,

При движении частиц по траекториям, подобным описанным, не будет  ли равновероятно образование потоков частиц (джетов) как от черной дыры,  так и в направлении к черной дыре?

Уважаемая RMR_astra! Конечно, все траектории обратимы.

Если есть поток, непосредственно вдоль оси вращения, то вблизи экватора он будет переходить в радиальный поток в диске, но в сторону, обратную к компактному объекту. Но эта ситуация маловероятна, поскольку трудно себе представить такого типа поток извне. А вот поток в диске, где плотность вещества большая, всегда есть траектории к центру компактного объекта, но имеющие небольшую, даже очень маленькую скорость, ортогональную к плоскости диска, чтобы вещество выходило на гиперболическую траекторию вдоль оси вращения. Как такая скорость  появляется - не суть важно. Может ее создает магнитное поле, но могут возникать какие-либо другие флуктуации. 

Уважаемый zhvictorm!

Спасибо за разъяснения. Интересно.

Как все-таки сложна астрономия.

Изучать явления на таких огромных расстояниях. Собирать по крупицам информацию, выдвигать гипотезы, кропотливо рассчитывать математические уравнения и ... крайне редко получать признание человечества.

Но астрономия не дает погрязнуть всем нам в будничной суете, возвышает, заставляет размышлять.