Гатанката на физиката: струи или струи плазма в ядрата на галактиките

Астрофизиците наблюдават самолети, както се наричат ​​струи, избягайки с релативистични скорости от ядрата на активните галактики от няколко десетилетия. Но беше възможно наблюденията да се изведат на качествено ново ниво само през последните няколко години. За да се получи в добра ъглова резолюция изображение на обект, разположен на разстояние хиляди или дори милиони светлинни години от нас, се използва методът на интерферометрия с екстра дълги бази или VLBI (от английската Very Long Baseline Interferometry). „Този ​​метод ви позволява да комбинирате наблюдения на различни обсерватории, разположени на голямо разстояние една от друга, като по този начин създавате нещо като един гигантски радиотелескоп“, казва Елена Нокрина, старши научен сътрудник в Московския физико-технологичен институт и ръководител на проекта „Изследване на разпространението на радиацията в емисиите на струи от активни галактически ядра ”, наскоро подкрепена от Руската фондация за основни изследвания.

Преди това основните размери на „виртуалните“ интерферометри не надвишаваха разстоянията между континентите, но през 2011 г. в рамките на международния проект „Радиоастрон“ беше пуснат руският спътник „Спектър-R“ с радио телескоп с приемаща параболична антена с диаметър 10 m (в този параметър това е надминава известния „Хъбъл“). Космическият кораб или се приближава до Земята, или се отдалечава на разстояние от 340 000 км - почти колкото Луната, чието гравитационно привличане между другото се използва за въртене на орбитата на спътника.

Полученият грандиозен интерферометър на космоса от проекта на радиоастрона, можем да кажем, отвори очите си за астрофизиците. За първи път в историята на астрономическите наблюдения е постигната невероятна ъглова резолюция - до милионни секунди. Десетки обсерватории от Германия, Италия, Китай, САЩ, Япония сътрудничат на проекта. Надзор на Радиоастрон е нашият сънародник Юрий Ковалев. Колкото повече научаваме за джетове, толкова по-странни изглеждат. „На една от конференциите Мат Листър, известният астрофизик, който ръководи програмата„ Мохаве “за наблюдение на ядрата на няколкостотин активни галактики, каза, че се тревожи за най-новите наблюдения на ядрата, нарушавайки общоприетия модел на физически параметри и радиация на струи“, спомня си Елена Нокрина.

За милион светлинни години

Някога в една далечна, далечна галактика бушуваше ... не, не "Междузвездни войни", а много по-мащабни явления. Струите се появяват в центровете на младите активни галактики, където се въртят свръхмасивни черни дупки с маси от порядъка на 106-109 слънчеви маси. Типичните разстояния до тях са гигапарсеси (1 парсек е равен на 3.2616 светлинни години), така че това, което наблюдаваме, се е случило в далечното минало.

Първоначално астрофизиците смятали, че струите се появяват съвсем просто. Младата галактика, в която процесите на образуване на звезди не приключиха, е изпълнена с различни космически „строителни материали“ - газове, прах, разредена плазма. Черна дупка образува около себе си така наречения аккреционен диск, в който слоеве материя се търкат един върху друг и, забавяйки се, падат върху повърхността му. В един момент съществува ограничение, когато натрупването вече не може да продължи. Тъй като външните слоеве на диска се притискат към вътрешния, излишното вещество може да се изхвърли само в две посоки, под и над диска, по оста на въртене. „Но сега виждаме, че такъв модел не дава пълна картина на образуването на струи“, оплаква се Нохрина. - Първо, те са твърде тесни. Второ, твърде бързо. И накрая, те са много по-ярки, отколкото очаквахме. Честно казано, понякога изглежда, че не знаем нищо за джетове. "

Въпреки това, дори колко тесни са струите, въпросът все още е отворен. С помощта на "Radioastron" бяха измерени "накрайници" на струите, тоест онези места, където те възникват. Оказа се около една трета от парсека, тоест почти светлинна година. От това, между другото, следва, че научно-популярните рисунки, в които остри плазмени струи избухват от полюсите на черна дупка, са чисто художествено въображение. Ако ширината на струята е правилно мащабирана, самата дупка и дори „поничката” на акредиращия диск около нея просто няма да се виждат. Тъй като обаче дължината на струята може да надвиши милион светлинни години, в космоса това е мъничка нишка.

Как се раждат джетове? Релативистките струи носят много повече енергия, отколкото веществото, падащо върху черна дупка, може да даде. Откъде идва и как точно е построена „централната кола“, раждаща джет?

Излишната енергия

„Един от важните проблеми е дали енергията на струите се черпи от веществото, погълнато от черната дупка, или дали енергията на въртене на самата дупка може да бъде нейният източник“, продължава Елена. „Най-близкият, който обяснява това явление, са британските астрофизици Роджър Блендфорд и Роман Знайек, но днес техният модел непрекъснато се допълва.“

Най-общо механизмът Blendford-Znayek е следният. Веществото около дупката се превръща в силно намагнетизирана плазма, която протича по магнитни силови линии, като през проводници, без да може да се отклонява встрани. Скоростите на екватора са по-високи, отколкото при полюсите, така че се получава нещо като еднополюсен индуктор. Магнитната му верига има формата на „тясно място“, от което изтичащите навън токове се движат по силовите линии, усукани в „снопове“. Част от енергията на такава емисия се отнема от самия отвор, забавяйки въртенето му.

Има алтернативен модел, автор на същия Блендфорд, но сдвоен с друг астрофизик - Дейвид Пейн. Процесът на Blendford-Payne предполага, че струята получава останалата част от енергията от акредиращия диск. Това частично обяснява защо струйната база е толкова широка - от порядъка на две хиляди радиуса на Шварцшилд. Но само частично - не е ясно например какво точно задвижва вещество в „магнитна бутилка“. Налягането на външната среда вероятно е прах и газ, но е невъзможно да се каже със сигурност. В своите изчисления теоретиците просто приемат за даденост, че има нещо доста плътно около „генериращата машина“.

Защо струите са толкова ярки? Наблюденията с ултрависока резолюция показаха, че някои струи са с порядък по-горещи, отколкото позволяват теоретичните изчисления. Може би освен електрон-позитронната плазма има ли нещо друго вътре в тях? Може би Radioastron ще реши кой модел е по-близо до реалността. Какво обаче се случва с самолетите след формирането си остава загадка. „Не знаем от какво се състои потокът, в радиационния спектър няма линии, съответстващи на никое вещество“, казва Елена Нокрина. „В повечето модели това е електронно-позитронна плазма, която протича по силни електромагнитни линии, но не и фактът, че няма нищо друго.“ Ако някога успеем да хвърлим поглед в релативистките самолети (тоест да пътуваме със светлинни скорости), можем да разрешим още една мистерия, която учуди астрофизиците съвсем наскоро.

Странна катастрофа

Светимостта на струите обикновено се измерва в келвините, като се сравнява с излъчването на напълно черно тяло, загрято до подходящата температура. Теоретичните модели не позволяват светимостта на релативистичния поток да надвишава 5000 милиарда К. При пресичане на тази линия настъпва така наречената Compton катастрофа. В поток, електрони, ускорени до близки до светлинни скорости, се въртят в магнитното поле на излъчване и излъчват синхротронни фотони, които от своя страна се разпръскват от съседните електрони и поради огромната си скорост в релативистичния поток не губят енергия, както при класическия ефект Compton, а напротив, придобиват допълнителни. Когато се достигне определена критична концентрация, процесът на "обратния комптън" става толкова ефективен, че струята започва да се охлажда поради загубата на енергия, която гама лъчението носи.

Откъде идват "ушите"? Нека не се знае как точно джетовете печелят толкова огромни скорости, но добре проучихме резултата от това състезание. На разстояние хиляди светлинни години от своето родно място, релативистката струя се разпръсква в междузвездни прахови частици, образувайки гигантски излъчващи облаци. Въпреки че говорим за гигантски джетове, процесът протича много бързо - всичко се случва само за един-два дни, така че не е било възможно да го наблюдаваме със собствените си очи. Но беше разкрито нещо противоположно. Температурата на няколко потока, изтичащи едновременно от ядрата на активни галактики, се оказа порядък по-висок от "разрешената" температура - в района на 20-40 трилиона K! Беше толкова невероятно, че мнозина дори започнаха да говорят за необходимостта от създаване на „нова физика“, за да опишат явления, които са толкова противоречащи на съвременните астрофизични закони. „Може би ние вземаме предвид доплеровите ефекти неправилно, или може би има някакъв друг процес, който компенсира„ обратния Комптон “, когато синтотронните фотони все пак прехвърлят енергия към частиците“, свива рамене Нокрина.

Радио наблюденията с висока разделителна способност значително промениха концепцията за джетове. В малък мащаб те се оказват не непрекъснати струи, а отделни движещи се „острови“ на излъчващото вещество. А струята от галактиката M87, която се намира на 16 мегапарсека от нас, дори успя да „види“ въртенето на изтласкването.

Снимките, прехвърлени от радиото в оптичния диапазон, са поразителни в техния цвят. „Едно от най-красивите феномени във Вселената са ударните облаци или„ радио ушите “в нашия професионален жаргон“, казва Елена с вдъхновение. „Материята, проведена от струите, се разпръсква върху космическия прах, което води до гигантски радиоизлъчващи обекти.“ Наблюденията на джетове в никакъв случай не са почит на чисто научното любопитство и чувството на красивите астрофизици. Поглеждайки в най-отдалечените кътчета на Вселената, ние постоянно научаваме нещо ново за свойствата на пространството-времето и гравитацията. А за нас самите.

Статията „Гатанката на галактическите пропорции“ е публикувана в списание Popular Mechanics (№ 1, януари 2017 г.).

Препоръчано

Как да напука парола на iPhone?
2019
Мечове, изработени от лед, мечове за роботи и други необичайни мечове
2019
Актуализираният Tesla Model S разбива рекорда на Laguna Seca: видео
2019