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.

Уважаемый Виктор Михайлович!

Непонятно - какая силы вызывает ускорение частиц вдоль оси z, причём в сторону от гравитирующего тела?

Уважаемый Sol!

При асимптотическом удалении возникает отрицательное ускорение, т.е. торможение. Это торможение обусловлено силой тяготения. Однако в приведенной модели, действительно, есть один важный недостаток. Я раньше на него не обращал внимания. Траектории частиц являются гиперболами. В описанной модели фокус гипербол не совпадает со звездой. Так что эти гиперболы не могут быть чисто кеплеровскими. В статье у меня выписаны интегралы движения, но для картинки я их упростил. По всей видимости при упрощении ошибся. Не обратил внимания на то, что фокус гипербол не совпадает со звездой.  Покольку модель похожа на то, что должно быть, то  теорию надо бы подправить. Интегралы движения выписывались в предположении наличия только силы тяготения самой звезды. В более полной теории надо учитывать самогравитацию всей совокупности частиц. Фактически это означает, что на частицы должна действовать дополнительная сила тяготения, например, сила тяготения от аккреционного диска.

Ваше замечание правильное. Временно убираю модель с сайта.

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.