Загадка физики: джеты, или струи плазмы в ядрах галактик
Астрофизики наблюдают за джетами, как называют струи, вырывающиеся с релятивистскими скоростями из ядер активных галактик, уже несколько десятилетий. Но вывести наблюдения на качественно новый уровень удалось лишь в последние несколько лет. Чтобы получить в хорошем угловом разрешении изображение объекта, находящегося от нас на расстоянии тысяч, а то и миллионов световых лет, используется метод интерферометрии со сверхдлинными базами, или VLBI (от англ. Very Long Baseline Interferometry). «Этот метод позволяет совмещать наблюдения разных обсерваторий, находящихся на большом удалении друг от друга, тем самым создавая что-то вроде единого гигантского радиотелескопа», — рассказывает Елена Нохрина, старший научный сотрудник МФТИ и руководитель проекта «Исследование распространения излучения в струйных выбросах из активных ядер галактик», недавно получившего поддержку российского Фонда фундаментальных исследований.
Раньше базовые размеры «виртуальных» интерферометров не превышали расстояний между континентами, но в 2011 году в рамках международного проекта «Радиоастрон» на высокоапогейную орбиту был запущен российский спутник «Спектр-Р» с радиотелескопом с приемной параболической антенной диаметром 10 м (по этому параметру он превосходит знаменитый «Хаббл»). Аппарат то приближается к Земле, то удаляется на расстояние 340 000 км — это почти столько же, сколько до Луны, чье гравитационное притяжение, кстати, используется для поворота плоскости орбиты спутника.
Получившийся в итоге грандиозный наземно-космический интерферометр проекта «Радиоастрон», можно сказать, раскрыл астрофизикам глаза. Впервые за всю историю астрономических наблюдений удалось достичь невероятного углового разрешения — до миллионных долей секунды. С проектом сотрудничают десятки обсерваторий из Германии, Италии, Китая, США, Японии. Научный руководитель «Радиоастрона» — наш соотечественник Юрий Ковалев. Чем больше мы узнаем об устройстве джетов, тем более странными они кажутся. «На одной из конференций Мэтт Листер, известнейший астрофизик, возглавляющий программу Mojave по мониторингу ядер нескольких сотен активных галактик, говорил, что его беспокоят последние наблюдения ядер, ломающие общепринятую модель физических параметров и излучения джетов», — вспоминает Елена Нохрина.
За миллион световых лет
Давным-давно, в далекой-далекой галактике бушевали… нет, не «Звездные войны», а куда более масштабные явления. Джеты возникают в центрах молодых активных галактик, где вращаются сверхмассивные черные дыры с массами порядка 106−109 масс Солнца. Типичные расстояния до них — гигапарсеки (1 парсек равен 3,2616 светового года), поэтому то, что мы наблюдаем, происходило в далеком прошлом.
Первоначально астрофизикам казалось, что джеты появляются довольно просто. Молодая галактика, в которой не закончились процессы формирования звезд, наполнена разнообразными космическими «строительными материалами» — газами, пылью, разреженной плазмой. Черная дыра формирует вокруг себя так называемый аккреционный диск, в котором слои вещества трутся друг о друга и, замедляясь, падают на ее поверхность. В какой-то момент наступает предел, когда аккреция больше не может продолжаться. Поскольку внешние слои диска давят на внутренние, лишнее вещество может выбрасываться только в двух направлениях, под и над диском, по оси вращения. «Но сейчас мы видим, что такая модель не дает полного представления о формировании струй, — сетует Нохрина. — Во-первых, они слишком узкие. Во-вторых, слишком быстрые. И наконец, они гораздо ярче, чем мы ожидали. Честно говоря, порой кажется, что мы не знаем о джетах вообще ничего».
Впрочем, даже насколько струи узкие, вопрос по-прежнему открытый. С помощью «Радиоастрона» были измерены «сопла» джетов, то есть тех мест, где они возникают. Получилось примерно треть парсека, то есть почти световой год. Отсюда, кстати, следует, что научно-популярные рисунки, на которых из полюсов черной дыры вырываются резкие плазменные струи, — чистой воды художественная фантазия. Если верно отмасштабировать ширину струи, саму дыру и даже «бублик» аккреционного диска вокруг нее будет просто не разглядеть. Тем не менее, поскольку длина джета может превышать миллион световых лет, в космических пространствах это тонюсенькая ниточка.
Как рождаются джеты? Релятивистские струи несут куда больше энергии, чем может дать падающее на черную дыру вещество. Откуда же она берется, и как именно устроена «центральная машина», рождающая джет?
Лишняя энергия
«Одна из важных проблем — черпается ли энергия джетов из поглощенного черной дырой вещества, или же ее источником может быть энергия вращения самой дыры, — продолжает Елена. — Ближе всех к объяснению этого феномена подошли британские астрофизики Роджер Блендфорд и Роман Знаек, но сегодня их модель непрерывно дополняется».
В общих чертах механизм Блендфорда-Знаека таков. Вещество вокруг дыры превращается в сильно намагниченную плазму, которая течет по магнитным силовым линиям, как по проводкам, не имея возможности отклониться в сторону. Скорости на экваторе выше, чем на полюсах, поэтому получается что-то вроде униполярного индуктора. Его магнитный контур имеет форму «бутылочного горлышка», из которого наружу вырываются токи, движущиеся по силовым линиям, закрученным в «жгуты». Часть энергии такого выброса отнимается у самой дыры, замедляя ее вращение.
Существует альтернативная модель, за авторством того же Блендфорда, но в паре с другим астрофизиком — Дэвидом Пейном. Процесс Блендфорда-Пейна предполагает, что остальную энергию джет получает от аккреционного диска. Это частично объясняет, почему основание джета такое широкое — порядка двух тысяч радиусов Шварцшильда. Но только частично — непонятно, например, что именно загоняет вещество в «магнитную бутылку». Вероятно, давление внешней среды — пыли и газа, но наверняка сказать нельзя. В своих расчетах теоретики просто принимают за данность, что вокруг «генерирующей машины» есть что-то достаточно плотное.
Возможно, «Радиоастрон» позволит решить, какая модель ближе к реальности. Впрочем, то, что происходит с джетами после формирования, все равно остается загадкой. «Мы не знаем, из чего состоит поток, в спектре излучения нет линий, соответствующих какому-нибудь веществу, — говорит Елена Нохрина. — В большинстве моделей это электрон-позитронная плазма, которая течет вдоль силовых электромагнитных линий, но не факт, что там нет чего-то еще». Если когда-нибудь удастся проникнуть взглядом внутрь релятивистских (то есть несущихся на околосветовых скоростях) струй, мы сможем разгадать еще одну загадку, взбудоражившую астрофизиков совсем недавно.
Почему джеты такие яркие? Наблюдения в сверхвысоком разрешении показали, что некоторые джеты на порядок горячее, чем допускают теоретические расчеты. Возможно, кроме электрон-позитронной плазмы внутри них есть что-то еще?
Странная катастрофа
Светимость джетов принято измерять в кельвинах, сравнивая ее с излучением абсолютно черного тела, нагретого до соответствующей температуры. Теоретические модели не допускают, чтобы светимость релятивистского потока превышала 5000 млрд К. При переходе через эту черту происходит так называемая Комптоновская катастрофа. В потоке электроны, разогнанные до близких к световой скоростей, вращаются в магнитном поле выброса и излучают синхротронные фотоны, которые, в свою очередь, рассеиваются на соседних электронах и, в силу их огромной скорости в релятивистском потоке, не теряют энергию, как при классическом эффекте Комптона, а, наоборот, приобретают дополнительную. При достижении некоторой критической концентрации процесс «обратного Комптона» становится настолько эффективным, что струя начинает охлаждаться из-за потерь энергии, которую уносит гамма-излучение.
Хотя речь идет о гигантских струях, процесс очень быстрый — все происходит буквально за один-два дня, поэтому наблюдать его воочию пока не удалось. Зато обнаружилось нечто прямо противоположное. Температура сразу нескольких потоков, вырывающихся из ядер активных галактик, оказалась на порядок выше «разрешенной» — в районе 20−40 трлн К! Это было так поразительно, что многие даже заговорили о необходимости создания «новой физики» для описания явлений, столь сильно противоречащих современным астрофизическим законам. «Быть может, мы неправильно учитываем доплеровские эффекты, а может, существует еще какой-то процесс, который компенсирует «обратный Комптон», когда синхротронные фотоны все же передают энергию частицам», — разводит руками Нохрина.
Откуда берутся «уши»? Пускай точно не известно, как джеты набирают столь огромные скорости, зато мы хорошо изучили результат этой гонки. На расстоянии тысяч световых лет от места своего рождения релятивистская струя рассеивается на частицы межзвездной пыли, образуя гигантские излучающие облака.
Радионаблюдения в высоком разрешении сильно изменили представление о джетах. На малых масштабах это оказались не непрерывные струи, а отдельные подвижные «острова» излучающего вещества. А у джета из галактики М87, которая расположена в 16 мегапарсеках от нас, даже удалось «увидеть» вращение выброса.
Снимки, переведенные из радиодиапазона в оптический, поражают своей красочностью. «Одно из самых красивых явлений во Вселенной — это ударные облака, или «радиоуши» на нашем профессиональном жаргоне, — вдохновенно рассказывает Елена. — Материя, вынесенная из джетов, рассеивается на космической пыли, в результате чего появляются гигантские радиоизлучающие объекты». Наблюдения джетов — отнюдь не дань чисто научному любопытству и чувству прекрасного астрофизиков. Заглядывая в самые дальние уголки Вселенной, мы постоянно узнаем что-то новое о свойствах пространства-времени и гравитации. И о самих себе.
