Как обнаружили странную физику струй из сверхмассивных черных дыр

Мар 02, 2018 Леонид Гляделов

Новости астрономии:
Супермассивные черные дыры, которые скрываются в сердце большинства галактик, часто описываются как «звери» или «монстры». Но, несмотря на это, они почти невидимы. Чтобы убедиться, что они там вообще есть, астрономам обычно приходится измерять скорость облаков газа, вращающихся вокруг этих регионов.

Но иногда можно распознать их присутствие благодаря созданию мощных струй. Мы знаем, что эти «релятивистские струи» представляют собой два потока плазмы (вещество, состоящее из электрически заряженных частиц, несмотря на отсутствие общего заряда), движущихся в противоположных направлениях со скоростями, очень близкими к скорости света.

Подробнее:

Однако физика, управляющая этими космическими фонтанами, уже давно является загадкой. Теперь нновая статья, опубликованная в Nature Astronomy, пролила некоторый свет на причины их необычного внешнего вида.

То, что делает релятивистские струи исключительными, - это их впечатляющая стабильность: они выходят из области размером с горизонт событий (точки возврата) сверхмассивной черной дыры и распространяются достаточно далеко, чтобы вырваться из своей галактики, сохраняя при этом свою форму на протяжении многого времени. Это соответствует длине, которая в миллиард раз превышает их первоначальный радиус - чтобы представить это в перспективе, представьте, что фонтан для воды выходит из шланга шириной в 1 см и остается неразрушенным на протяжении 10 000 км.

Однако, когда струи распространяются на больших расстояниях от их происхождения, они теряют свою согласованность и развивают протяженные структуры, которые часто напоминают плюмы или дольки. Это указывает на то, что струи подвергаются некоторой нестабильности, достаточно сильной, чтобы полностью изменить их внешний вид.

Дихотомия струи

Первая астрофизическая струя была обнаружена в 1918 году американским астрономом Хебером Кертисом , который заметил «любопытный прямой луч\ связанный с ядром тонкой линией материи» в гигантской эллиптической галактике M87.

В 1970-х годах два астронома из Кембриджского университета, Берни Фанарофф и Джулия Райли изучили большое колличество струй. Они обнаружили, что их можно разделить на два класса: яркость которых уменьшается с расстоянием от их происхождения, и те, которые становятся ярче по краям. В целом, последний тип примерно в 100 раз светлее первого. Оба они имеют слегка различную форму в конце - первая похожа на вспыхивающий шлейф, а вторая напоминает тонкий турбулентный поток. Именно поэтому существуют два разных типа струй, которые все еще являются областью активных исследований.

Когда струйный материал ускоряется черной дырой, он достигает скоростей до 99,9% скорости света. Когда объект движется так быстро, время расширяется - другими словами, поток времени в струе, измеренный внешним наблюдателем, замедляется, как и предсказывалось специальной теорией Эйнштейна. Из-за этого требуется, чтобы различные части струи обменивались данными друг с другом - как при взаимодействии или влиянии друг на друга - при удалении от источника. Это эффективно защищает струю от разрушения.

Однако эта потеря связи не длится вечно. Когда струя выбрасывается из черной дыры, она расширяется в сторону. Это расширение создает давление внутри струйной капли, а давление газа, окружающего струю, не уменьшается. В конце концов, внешнее давление газа превышает давление внутри струи и сжимает его. В этот момент части струи приходят так близко, что они могут взаимодействовать снова. Если некоторые части струи стали нестабильными в то же время, они теперь могут обмениваться этой информацией, и нестабильность может распространиться, чтобы воздействовать на весь луч.

Еще одно важное следствие имеет процесс расширения и сжатия струй: поток больше не вдоль прямых, а по искривленным траекториям. Изогнутые потоки, вероятно, пострадают от «центробежной нестабильности», что означает, что они начинают создавать вихревые структуры, называемые вихрями. До недавнего времени это не считалось критическим для астрофизических струй.

Действительно, подробные компьютерные моделирования показывают, что релятивистские струи становятся неустойчивыми из-за центробежной неустойчивости, которая изначально влияет только на их взаимодействие с галактическим газом. Однако, если они сократились из-за внешнего давления, эта нестабильность распространяется по всей струе. Нестабильность настолько катастрофична, что струя не выживает после этого момента и уступает место турбулентному плюму.

Полагаясь на этот результат в перспективе, мы лучше понимаем впечатляющую стабильность астрофизических струй. Это также может помочь объяснить загадочные два класса струй, обнаруженных Фанаровым и Райли - все зависит от того, насколько далеко от галактики струя становится неустойчивой. Компьютерное моделирование того, что эти струи будут выглядеть на основе нашего нового понимания физики этих космических лучей, и они очень напоминают два класса, которые мы видим в астрономических наблюдениях.