1. За мільйон світлових років
2. зайва енергія
3. дивна катастрофа

Сьогодні астрофізики отримали можливість розглядати в неймовірних деталях одне з найвеличніших космічних явищ - гігантські струмені плазми, що вириваються з центрів молодих галактик. Але чим пильніше вони вдивляються, тим більше виникає питань - так таких, що час задуматися про створення нової фізики.

Астрофізики спостерігають за джетами, як називають струменя, що вириваються з релятивістськими швидкостями з ядер активних галактик, вже кілька десятиліть. Але вивести спостереження на якісно новий рівень вдалося лише в останні кілька років. Щоб отримати в хорошому кутовому дозволі зображення об'єкта, що знаходиться від нас на відстані тисяч, а то і мільйонів світлових років, використовується метод интерферометрии з наддовгими базами, або VLBI (від англ. Very Long Baseline Interferometry). «Цей метод дозволяє поєднувати спостереження різних обсерваторій, що знаходяться на великій відстані один від одного, тим самим створюючи щось подібне до єдиного гігантського радіотелескопа», - розповідає Олена Нохріна, старший науковий співробітник МФТІ і керівник проекту «Дослідження поширення випромінювання в струменевих викидах з активних ядер галактик », який нещодавно отримав підтримку російського Фонду фундаментальних досліджень.

Раніше базові розміри «віртуальних» интерферометров не перевищували відстаней між континентами, але в 2011 році в рамках міжнародного проекту «Радіоастрон» на високоапогейну орбіту був запущений російський супутник «Спектр-Р» з радіотелескопом з приймальні параболічною антеною діаметром 10 м (за цим параметром він перевершує знаменитий «Хаббл»). Апарат то наближається до Землі, то віддаляється на відстань 340 000 км - це майже стільки ж, скільки до Місяця, чиє гравітаційне тяжіння, до речі, використовується для повороту площини орбіти супутника.

Одержаний в результаті грандіозний наземно-космічний інтерферометр проекту «Радіоастрон», можна сказати, розкрив астрофізикам очі. Вперше за всю історію астрономічних спостережень вдалося досягти неймовірного кутового дозволу - до мільйонних часток секунди. З проектом співпрацюють десятки обсерваторій з Німеччини, Італії, Китаю, США, Японії. Науковий керівник «Радіоастрон» - наш співвітчизник Юрій Ковальов. Чим більше ми дізнаємося про пристрій джетів, тим більш дивними вони здаються. «На одній з конференцій Метт Лістер, найвідоміший астрофізик, який очолює програму Mojave з моніторингу ядер декількох сотень активних галактик, говорив, що його турбують останні спостереження ядер, які ламають загальноприйняту модель фізичних параметрів і випромінювання джетів», - згадує Олена Нохріна.

За мільйон світлових років

Давним-давно, в далекій-далекій галактиці вирували ... ні, не «Зоряні війни», а куди більш масштабні явища. Джети виникають в центрах молодих активних галактик, де обертаються надмасивні чорні діри з масами порядку 106-109 мас Сонця. Типові відстані до них - гігапарсекі (1 парсек дорівнює 3,2616 світлового року), тому те, що ми спостерігаємо, відбувалося в далекому минулому.

Спочатку астрофізикам здавалося, що джети з'являються досить просто. Молода галактика, у якій не закінчилися процеси формування зірок, наповнена різноманітними космічними «будівельними матеріалами» - газами, пилом, розрідженій плазмою. Чорна діра формує навколо себе так званий аккреційний диск, в якому шари речовини труться одна об одну і, сповільняться, падають на її поверхню. У якийсь момент настає межа, коли аккреция більше не може тривати. Оскільки зовнішні шари диска тиснуть на внутрішні, зайве речовина може викидатися тільки в двох напрямках, під і над диском, по осі обертання. «Але зараз ми бачимо, що така модель не дає повного уявлення про формування струменів, - нарікає Нохріна. - По-перше, вони занадто вузькі. По-друге, надто швидкі. І нарешті, вони набагато яскравіше, ніж ми очікували. Чесно кажучи, часом здається, що ми не знаємо про джетах взагалі нічого ».

Втім, навіть наскільки струменя вузькі, питання як і раніше відкритий. За допомогою «Радіоастрон» були виміряні «сопла» джетів, тобто тих місць, де вони виникають. Вийшло приблизно третину пса, тобто майже світловий рік. Звідси, до речі, слід, що науково-популярні малюнки, на яких з полюсів чорної діри вириваються різкі плазмові струмені, - чистої води художня фантазія. Якщо вірно отмасштабовані ширину струменя, саму дірку і навіть «бублик» аккреционного диска навколо неї буде просто не розгледіти. Проте, оскільки довжина джета може перевищувати мільйон світлових років, в космічних просторах це тонюсенькая ниточка.

Як народжуються джети? Релятивістські струменя несуть куди більше енергії, ніж може дати падаюче на чорну діру речовина. Звідки ж вона береться, і як саме влаштована «центральна машина», яка народжує джет?

зайва енергія

«Одна з важливих проблем - черпається чи енергія джетів з поглиненого чорною дірою речовини, або ж її джерелом може бути енергія обертання самої діри, - продовжує Олена. - Ближче всіх до пояснення цього феномена підійшли британські астрофізики Роджер Блендфорд і Роман Знаек, але сьогодні їх модель безперервно доповнюється ».

У загальних рисах механізм Блендфорд-Знаека такий. Речовина навколо діри перетворюється в сильно намагнічені плазму, яка тече по магнітних силових ліній, як по проводках, не маючи можливості відхилитися в сторону. Швидкості на екваторі вище, ніж на полюсах, тому виходить щось на кшталт униполярного індуктора. Його магнітний контур має форму «пляшкового горлечка», з якого назовні вириваються струми, що рухаються по силових лініях, закрученим у «джгути». Частина енергії такого викиду віднімається у самій діри, сповільнюючи її обертання.

Існує альтернативна модель, за авторством того ж Блендфорд, але в парі з іншим астрофізиком - Девідом Пейном. Процес Блендфорд-Пейна передбачає, що решту енергію джет отримує від аккреционного диска. Це частково пояснює, чому підставу джета таке широке - близько двох тисяч радіусів Шварцшильда. Але тільки частково - незрозуміло, наприклад, що саме заганяє речовина в «магнітну пляшку». Ймовірно, тиск зовнішнього середовища - пилу і газу, але напевно сказати не можна. У своїх розрахунках теоретики просто приймають за даність, що навколо «генеруючої машини» є щось досить щільне.

Чому джети такі яскраві? Спостереження в надвисокому дозволі показали, що деякі джети на порядок гаряче, ніж допускають теоретичні розрахунки. Можливо, крім електрон-позитронної плазми всередині них є щось ще? Можливо, «Радіоастрон» дозволить вирішити, яка модель ближче до реальності. Втім, те, що відбувається з джетами після формування, все одно залишається загадкою. «Ми не знаємо, з чого складається потік, в спектрі випромінювання немає ліній, відповідних якомусь речовині, - каже Олена Нохріна. - У більшості моделей це електрон-позитронна плазма, яка тече вздовж силових електромагнітних ліній, але не факт, що там немає чогось ще ». Якщо коли-небудь вдасться проникнути поглядом всередину релятивістських (тобто мчать на близькосвітлових швидкостях) струменів, ми зможемо розгадати ще одну загадку, розбурхати астрофізиків зовсім недавно.

дивна катастрофа

Світність джетів прийнято вимірювати в кельвінах, порівнюючи її з випромінюванням абсолютно чорного тіла, нагрітого до відповідної температури. Теоретичні моделі не допускають, щоб світність релятивистского потоку перевищувала 5000 млрд К. При переході через цю рису відбувається так звана Комптонівська катастрофа. У потоці електрони, розігнані до близьких до світлової швидкості, обертаються в магнітному полі викиду і випромінюють синхротронного фотони, які, в свою чергу, розсіюються на сусідніх електронах і, в силу їх величезній швидкості в релятивістському потоці, не втрачають енергію, як при класичному ефекті Комптона, а, навпаки, набувають додаткову. При досягненні певної критичної концентрації процес «зворотного Комптона» стає настільки ефективним, що струмінь починає охолоджуватися через втрати енергії, яку забирає гамма-випромінювання.

Звідки беруться «вуха»? Нехай точно не відомо, як джети набирають настільки величезні швидкості, зате ми добре вивчили результат цієї гонки. На відстані тисяч світлових років від місця свого народження релятивістська струмінь розсіюється на частинки міжзоряного пилу, утворюючи гігантські випромінюють хмари. Хоча мова йде про гігантських струменях, процес дуже швидкий - все відбувається буквально за один-два дні, тому спостерігати його на власні очі поки не вдалося. Зате виявилося щось прямо протилежне. Температура відразу декількох потоків, що вириваються з ядер активних галактик, виявилася на порядок вище «дозволеної» - в районі 20-40 трлн До! Це було так вражаюче, що багато хто навіть заговорили про необхідність створення «нової фізики» для опису явищ, настільки сильно суперечать сучасним астрофізичним законам. «Бути може, ми неправильно враховуємо доплеровские ефекти, а може, існує ще якийсь процес, який компенсує« зворотний Комптон », коли синхротронного фотони все ж передають енергію частинкам», - розводить руками Нохріна.

Радіоспостереження у високій роздільній здатності сильно змінили уявлення про джетах. На малих масштабах це виявилися не безперервні струмені, а окремі рухливі «острова» випромінює речовини. А у джета з галактики М87, яка розташована в 16 мегапарсек від нас, навіть вдалося «побачити» обертання викиду.

Знімки, перекладені з радіодіапазону в оптичний, вражають своєю мальовничістю. «Одне з найкрасивіших явищ у Всесвіті - це ударні хмари, або« радіоуші »на нашому професійному жаргоні, - натхненно розповідає Олена. - Матерія, винесена з джетів, розсіюється на космічного пилу, в результаті чого з'являються гігантські радіовипромінювальні об'єкти ». Спостереження джетів - аж ніяк не данина чисто науковому цікавості і почуття прекрасного астрофізиків. Заглядаючи в найдальші куточки Всесвіту, ми постійно дізнаємося щось нове про властивості простору-часу і гравітації. І про самих себе.

Стаття «Загадка галактичних масштабів» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №1, Январь 2017 ).