Проявление джетов
По современным научным представлениям, центром каждой галактики является черная дыра, причем не простая, а сверхмассивная (с массой от миллиона до миллиарда солнечных масс). Если черная дыра находится в центре галактики с большой плотностью вещества, то это вещество начинает “засасываться” черной дырой. По мере приближения к черной дыре заряженные частицы разгоняются, сталкиваются, и это приводит к сильному излучению света. Под действием мощных гравитационных сил, создаваемых черной дырой, вещество устремляется к центру, но движется при этом не по радиусу, а по сужающимся окружностям - спиралям. При этом закон сохранения момента импульса заставляет вращающиеся частицы двигаться все быстрее по мере приближения к центру черной дыры, одновременно собирая их в аккреционный диск, подобный кольцам Сатурна. В аккреционном диске скорости частиц очень велики, и их столкновения порождают не только энергичные фотоны (рентгеновское излучение), но и другие длины волн электромагнитного излучения. Мощнейшее излучение падающего вещества во всем диапазоне длин волн (от радио до гамма) и выдает присутствие черных дыр. Оно такое сильное, что черные дыры могут быть самыми яркими объектами во Вселенной!
Рисунок 1. Художественное изображение квазара GB1508+5714
Согласно законам электродинамики, чем с большим ускорением движется заряженная частица, тем более энергичные кванты света она испускает. Но ускорение тем больше, чем ближе частица к черной дыре. Следовательно, более энергичные фотоны прилетают к нам из непосредственной окрестности черной дыры. А, исследуя спектральный состав излучения, можно оценить массу черной дыры, ее заряд и скорость вращения. Первые прямые свидетельства существования вращающихся черных дыр получены с помощью космического рентгеновского телескопа RXTE. С его помощью обнаружены признаки наличия углового момента у объекта GRO J1655-40. Эта черная дыра с массой 5,5-7,9 масс Солнца находится от Земли на расстоянии 10000 световых лет и образует двойную систему с обычной звездой. Вещество звезды перетекает на черную дыру и выпадает на нее из внутренних частей аккреционного диска, испуская рентгеновское излучение. В спектре рентгеновского излучения были обнаружены квазипериодические осцилляции с частотой 450Гц. Наличие таких осцилляций интерпретируется как периодическое движение плазмы по последней устойчивой орбите вокруг черной дыры. При указанной выше массе орбита с частотой обращения 450Гц может существовать только у черной дыры, обладающей значительным угловым моментом. От этой черной дыры с противоположных сторон исходят две симметричные струи - пучки высокоэнергичных элементарных частиц. Такие струи принято называть джетами (буквально, Jet - струя).
Джеты имеют спиральное воронкообразное строение с малым углом раскрытия. На изображениях близких активных галактических ядер, полученных телескопом “Хабблом”, центральный источник окружен диском, вдоль оси которого видны конусы излучения. Изображения и спектры радиогалактики М87, переданные “Хабблом”, показали, что из вращающегося диска с большой скоростью выбрасывается струя вещества – джет. Размеры джетов зависят от размеров аккреционных дисков астрономических объектов. Среди них могут быть разные объекты: от сжимающихся облаков с областями звездообразования до небольших черных дыр. Огромный рентгеновский джет, протяженностью более миллиона световых лет, обнаружен в далеком квазаре PKS 1127-145. Самый удаленный джет зафиксирован от квазара GB1508+5714. По теоретическим оценкам, джет длиной 100 тысяч световых лет и находится на расстоянии 12 миллиардов световых лет от Земли. Джет наклонен по отношению к нам и виден в рентгеновском диапазоне. Ядро галактики Центавр A образует мощный джет длиной около 4 000 световых лет.
Рисунок 2. Изображение джета HH49/50 (объект Хербига-Аро)
Длина одного из самых миниатюрных джетов HH49/50, летящего со скоростью 100 километров в секунду - несколько световых лет. Изображение этого джета получено космическим телескопом Спитцера. Джет сформировала рождающаяся звезда, которая находится за верхним краем картинки. Предполагается, что яркая звезда около нижнего конца джета случайно оказалась на луче зрения. HH49/50 находится на расстоянии 450 световых лет, в молекулярном облаке Хамелеон I. Хорошо заметно изменение окраски джета: вверху преобладают красные оттенки, а ближе к концу - голубые. Искусственные цвета инфракрасного изображения свидетельствуют о систематическом изменении длин волн излучения. Неоднородность цветовой окраски свидетельствует о спиральной структуре джета.
Рисунок 3. Изображение радиогалактики типа FR II
Радиогалактики делятся на два класса. Джеты радиогалактик класса FR II в основном гладкие, часто односторонние и заканчиваются горячими пятнами в хорошо выделенных протяженных компонентах. В то же время джеты в FR I галактиках двусторонние, и радиоструктуры часто искажены и перьеобразны. Гладкая структура джетов в FR II объектах может сохраняться за счет сверхзвуковых потоков вещества и большей скорости вращения воронки джета. Различные степени вращения черной дыры создают различие в природе производимых джетов: медленное вращение приводит к субзвуковым джетам, быстрое - к сверхзвуковым. Причиной проявления горячих пятен на концах джетов может быть концентрация вещества при релаксации вихря. У галактик типа FR I джеты могут быть субзвуковыми, что делает их восприимчивыми к искажениям при взаимодействии с обтекающей средой.
Рисунок 4. Схематическое изображение источника джетов
Абсолютное большинство космических объектов (квазары, активные галактические ядра, Сейфертовские и радиогалактики, блазары) имеют единое происхождение - в их центре располагается большая черная дыра. Если наблюдатель их видит в плоскости аккреционного диска, то окружающее вещество экранирует ее центральную часть, смягчая излучение, и наблюдается радиогалактика, поскольку максимум излучения находится в радиодиапазоне. Если же на наблюдателя направлен один из джетов активного ядра какой-либо галактики, то виден блазар, источник жесткого гамма-излучения переменной яркости. В большинстве случаев наблюдение происходит под каким-либо промежуточным углом. В этом случае виден квазар - до Земли долетает излучение и от джетов, и от аккреционного диска, и от нагретого в окружающем пространстве газа.
Черные дыры как пылесосы всасывают в себя все окружающее вещество. Благодаря этому, они должны непрерывно увеличивать свою массу. В то же время, черные дыры как мельницы перемалывают вещество и выбрасывают (излучают) его из полюсов. Если объект излучает, то его масса должна уменьшаться. Наличие джетов говорит о теоретической возможности испарения черной дыры – уменьшения ее массы при превышении интенсивности выброса вещества джетами над интенсивностью поглощения вещества из аккреционного диска. Такая ситуация возможна при сверхнизкой концентрации вещества в окрестностях черной дыры. Когда черная дыра засосет все вещество (пыль, газ) из окружающих окрестностей, то светящийся аккреционный диск исчезает. В этом случае наличие черной дыры можно обнаружить только с помощью многолетних наблюдений за движением окружающих звезд. Именно таким способом была обнаружена черная дыра в центре нашей галактики.
Рисунок 5. Фотографии SB-галактик на последовательных стадиях развития
Парадоксы строения SB-галактик можно объяснить следующим образом: если ось вращения черной дыры медленно поворачивается в пространстве, то и вихри джетов поворачиваются по законам твердого тела. На фотографиях таких галактик можно визуально определить области, где происходит переход вихревого струйного движения в турбулентное хаотическое. Турбулентные же области образуют загибающиеся рукава. То, что джеты являются газопылевыми струями, свидетельствует мощное звездообразование на концах джетов и в рукавах. Внутри галактики наблюдается пустота – сама черная дыра не излучает. Вихри джетов образуют прямую перемычку (бар), пересекающую шарообразное скопление вокруг центра. Рукава начинаются не с центра галактики, а с концов перемычки. По логике следует, что чем длинее рукава галактики, тем больше ее возраст.
На сегодняшний день наиболее распространена точка зрения, согласно которой причиной возникновения джетов является наличие мощного магнитного поля у вращающейся черной дыры. Магнитное поле дополнительно закручивает падающие на аккреционный диск частицы и собирает их в тонкие пучки, джеты, разлетающиеся от полюсов. При столкновениях энергия частиц и скорость кругового движения части частиц уменьшаются, они потихоньку приближаются к черной дыре и поглощаются ею. Другая часть заряженных частиц направляется магнитным полем к полюсам черной дыры и вылетает оттуда с огромной скоростью, образуя наблюдаемые учеными джеты длиной до1 млн. световых лет. Частицы в джете сталкиваются с межзвездным газом и пылью, излучая электромагнитные волны.
Рисунок 6. Вихревой механизм формирования джетов
Некоторые данные о строении Земли наталкивают на мысль, что возможен еще один физический механизм формирования джетов. Земля напоминает некое подобие сплющенного у полюсов куриного яйца. Средняя толщина земной коры всего около 50-80 километров, что по сравнению с размерами Земли является лишь только тонкой твердой пленкой - скорлупой. В основной своей массе Земля находится в жидком состоянии. В окрестностях черной дыры (в аккреционном диске) находится всасываемая газопылевая взвесь высокой плотности, разогретая до высокой температуры от столкновений. Горячий аккреционный диск должен защищать поверхность черной дыры от переохлаждения, поэтому нет никаких оснований считать, что черная дыра находится в твердом агрегатном состоянии. Не важно, является ли вещество черной дыры плазмой, нейтронной жидкостью или еще чем-либо, но в любом случае это вещество должно подчиняться законам гидродинамики. По этим законам аккреционный диск должен поделить черную дыру пополам. При приближении к черной дыре все космические объекты от столкновений и чудовищной гравитации должны перемалываться в ионизированную пыль. Так как у черной дыры нет твердой поверхности, то плотность газопылевой плазмы должна увеличиваться постепенно, без резких переходов. Газопылевая плазма, непрерывно падающая из аккреционного диска на черную дыру, по инерции должна проваливаться вглубь черной дыры, увлекая за собой вещество поверхности. Эксперименты с жидкостями показывают, что подобные процессы должны сопровождаться формированием тороидального вихря. В нашем случае два тороидальных вихря, разделенные аккреционным диском, должны распространиться по всему объему черной дыры. А на торцах тороидальных вихрей вещество черной дыры выбрасывается по инерции в виде воронкообразного вихpeй.
( по материалам http://logicphysic.narod.ru )
