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).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.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).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.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.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.