Релятивистский джет

Релятиви́стский джет (релятивистская струя; от англ. jet – струя, выброс), коллимированный высокотурбулентный поток плазмы и релятивистских частиц, образующийся в результате аккреции вещества на сверхмассивную чёрную дыру, которая находится в центре активного ядра галактики (рис. 1). При аккреции формируются биполярные истечения вещества в направлении оси вращения чёрной дыры или в направлении, перпендикулярном плоскости вращения аккреционного диска. Рис. 1. Схема образования релятивистских джетов (представление художника).Наблюдения с помощью метода радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ) показывают, что джет начинает детектироваться уже в ближайших окрестностях чёрной дыры, на расстоянии в несколько десятков её гравитационных радиусов. Важную, если не определяющую роль в образовании джета играет магнитное поле, которое формирует, ускоряет и коллимирует его. Образование джетов обеспечивает отведение момента импульса чёрной дыры, поддерживая высокую эффективность аккреции. Релятивистские джеты испускают непрерывное излучение во всём диапазоне электромагнитного спектра, от радиоволн до высокоэнергетического гамма-излучения, а также могут быть источниками высокоэнергетических (>1 ТэВ) астрофизических нейтрино.

Помимо активных ядер галактик джеты наблюдаются также в микроквазарах, но скорости движения плазмы в них умеренно релятивистские: 0,2−0,3 скорости света. Нерелятивистские истечения формируются и у молодых звёзд в туманностях, проявляющих себя как объекты Хербига – Аро.

Состав

Считается, что джеты состоят из нетепловой электрон-позитронной плазмы. Однако экстремально высокие яркостные температуры радиоядер джетов, регистрируемые по наземно-космическим РСДБ-наблюдениям с участием космического радиотелескопа «Спектр-Р» международной программы «РадиоАстрон», указывают на то, что в джетах могут присутствовать также и релятивистские протоны.

Форма и коллимация

У своего основания джет имеет очень широкий угол расходимости, вплоть до 150°, но по мере того как он ускоряется и при этом всё больше коллимируется, угол расходимости становится меньше и на расстоянии нескольких парсек от основания джета уже составляет около 1°. Рис. 2. Изображение джета активной галактики M87 (Дева A), восстановленное по данным радиоинтерферометрических наблюдений на частоте 15 ГГц.Форма выброса также зависит от степени удалённости от его основания. Так, джет стартует и ускоряется, имея квазипараболический профиль, который затем меняется на конический, характеризующийся постоянной скоростью истечения (рис. 2). Резкое изменение геометрии джета происходит на масштабах 10⁴−10⁶ гравитационных радиусов чёрной дыры (порядка 1–100 пк для чёрной дыры массой 10⁹ масс Солнца) и может быть связано с той областью струи, где энергия магнитного поля, ускоряющего частицы, становится равной их кинетической энергии. Джеты остаются коническими вплоть до расстояний порядка нескольких килопарсеков. На больших масштабах, по мере замедления и потери энергии на излучение и адиабатическое расширение, джеты становятся более диффузными, теряют коллимацию и окончательно разрушаются.

Существуют также наблюдательные и теоретические указания на то, что вблизи основания, где джет только начинает пробивать себе дорогу в окружающей среде, он имеет форму, близкую к цилиндрической, а поскольку внешняя среда является в сотни или даже тысячи раз более плотной, происходит формирование фронта ударной волны, а также отбойного течения плазмы в обратном направлении в пограничном слое и образование кокона вокруг джета.

Морфология

Подробное исследование структуры джетов далёких внегалактических источников стало возможным в результате применения метода РСДБ, который с момента своего появления в 1960-х гг. обеспечивает рекордные в современной астрономии уровни углового разрешения, достигающие порядка миллисекунды дуги для наземных наблюдений и 10 мкс дуги для наземно-космических наблюдений в диапазоне сантиметровых длин волн. Этого разрешения достаточно, чтобы проводить анализ структуры как вдоль, так и поперёк джета (рис. 2).

Рис. 3. Релятивистский джет в галактике M87 (Дева А). Фото: космический телескоп «Хаббл». NASA and The Hubble Heritage Team (STScI / AURA).Типичная морфология релятивистского джета представляет собой структуру, состоящую из ряда областей повышенной яркости, называемых также узлами или компонентами, физическая природа которых до конца не ясна. Они могут быть связаны как с фронтами ударных волн, так и с разного рода неустойчивостями, которые распространяются вниз по течению джета и определяют его структуру и динамику. В оптическом диапазоне только снимки ближайших активных галактик, например галактики Дева А (рис. 3), имеют достаточно высокое пространственное разрешение для изучения структуры их джетов. Из-за эффекта релятивистской аберрации, усиливающего излучение джета, направленного в сторону наблюдателя, и ослабляющего излучение джета, направленного в противоположную сторону, часто наблюдается односторонняя структура типа ядро–выброс. Таким образом, чем дальше находится источник, тем сложнее обнаружить его джет, поскольку меньше вероятность, что он окажется вытянутым вдоль луча зрения. И наоборот, относительно близкие источники имеют гораздо более широкий диапазон углов ориентации наблюдаемых джетов.

Магнитное поле

Данные наблюдений и результаты моделирования указывают на то, что глобальное магнитное поле, связанное с джетом, является спиральным с высокой степенью закрутки силовых линий (рис. 1). Угол закрутки с увеличением расстояния от начала джета постепенно уменьшается. Прямыми наблюдательными указаниями на спиральный характер магнитного поля являются значимые поперечные градиенты меры фарадеевского вращения, а также несимметричность поперечных профилей интенсивности и направления плоскости линейной поляризации синхротронного излучения джета относительно его оси.

Скорость

Зона активной коллимации и ускорения джета довольно компактна. Сам механизм ускорения может быть связан с преобразованием энергии вращения чёрной дыры и/или аккреционного диска при участии магнитного поля. Каков характер этого ускорения – постоянный или импульсный – неясно, но известно, что уже на расстояниях в несколько парсеков джет максимально «разогнан», как это следует из результатов кинематических исследований выбросов активных галактик, а именно из постоянства скорости струй на больших масштабах. Незначительные остаточные ускорения ещё возможны вплоть до расстояний около 100 пк. Далее скорость истечения начинает постепенно снижаться. Типичные значения фактора Лоренца $\gamma=\left(1-\beta^2\right)^{-1\mathrm{/}2}$ джетов квазаров составляют порядка 10, а максимальное из измеренных – около 50, что соответствует значениям отношения скорости истечения к скорости света $\beta=V\mathrm{/}c$, равным 0,995 и 0,9998 соответственно.

Иллюзия сверхсветового движения

Рис. 4. Схема, иллюстрирующая наблюдаемое «сверхсветовое» движение вещества в джете. Иллюстрация: Александр Пушкарёв.Когда джет направлен под малым углом к лучу зрения, возникает иллюзия движения его вещества со скоростью, превышающей скорость света. Этот феномен является прямым наблюдаемым свидетельством релятивистской скорости нетепловой плазмы в джете.

Пусть релятивистский электрон, движущийся в джете с магнитным полем (рис. 4), в момент времени $t_1=0$ излучает фотон. В момент времени $t_2=t>0$ тот же электрон, двигающийся с релятивистской скоростью $V$ под углом к лучу зрения $\theta$ и находящийся на проекционном расстоянии $Vt\sin{\theta},$ снова излучает фотон. Наблюдатель принимает второй фотон с задержкой по времени (относительно первого), равной

$\displaystyle \frac{ct - Vt \cos{\theta}}{c}=t - \beta t \cos{\theta}$

(где $\beta=V/c$). За этот промежуток времени наблюдатель регистрирует видимое смещение электрона на расстояние $Vt \sin\theta.$ Следовательно, наблюдаемая скорость будет равна

$\displaystyle V_{набл.}=\frac{Vt\sin{\theta}}{t-\beta t\cos{\theta}}=\frac{V\sin{\theta}}{1-\beta\cos{\theta}}$

или

$\displaystyle \beta_{набл.}=\frac{\beta\sin{\theta}}{1-\beta\cos{\theta}}.$

Данная зависимость $\beta_{набл.}$ от угла $\theta$ для разных значений фактора Лоренца $\gamma$ изображена на рис. 5. Значения наблюдаемой скорости $V_{набл.}$ могут превосходить скорость света при $\gamma>\!\sqrt{2} .$
Рис. 5. Зависимость видимой скорости истечения вещества от угла наклона оси джета к лучу зрения. Пунктирная линия показывает положения максимального значения видимой скорости при различных углах наклона джета к лучу зрения.