релятивистская струя

Качели, которые раскачиваются на горке с зубцами, ведут себя странно: без толчков они застревают в первой же впадине, а от ритмичных ударов могут поехать вверх, вниз или замереть. Именно такую картину увидели физики, когда посадили одну пылинку в ловушку с пилообразным дном и начали поочерёдно толкать её лазерными лучами. Пылинка размером 13 микрометров при лёгких толчках разгонялась до 0,95 мм/с.

Маяк, который мигает не каждую секунду, а раз в несколько минут или даже часов. Именно так ведут себя долгопериодические радиотранзиенты — космические источники, открытые совсем недавно. Их сигналы слишком медленные для обычных пульсаров (быстро вращающихся нейтронных звёзд), но слишком мощные, чтобы их можно было списать на случайные помехи.

В апреле 2021 года антенны Телескопа горизонта событий (EHT) — глобальной сети миллиметровых радиотелескопов — навели на крошечную точку в созвездии Девы. Это активное ядро галактики 3C 279, удалённое на 16,5 мегапарсек, — один из самых ярких и переменчивых блазаров.

В центре галактики огромная чёрная дыра окутана невидимым облаком — роем сверхлёгких частиц, которые она сама и породила. В это облако ныряет другая чёрная дыра, размером со звезду, и начинает долгий танец по спирали. Сближение длится миллионы лет, но самые драматичные события разворачиваются у самого горизонта. Орбита маленькой дыры редко бывает идеальным кругом.

В 2022 году астрономы начали открывать странные космические маяки — длиннопериодические радиотранзиенты. В отличие от быстрых пульсаров, открытых Джоселин Белл Бернелл в 1967 году, эти объекты вспыхивали с периодичностью в десятки минут и часов.

Когда массивная звезда исчерпывает термоядерное топливо, её ядро стремительно сжимается — коллапсирует, порождая чёрную дыру, окружённую аккреционным диском из раскалённой плазмы. Чтобы из этого диска вырвались узкие релятивистские струи — джеты, необходимо крупномасштабное упорядоченное магнитное поле.

Космический гамма-телескоп Ферми на протяжении 17 лет регистрировал гамма-излучение от активных ядер галактик, в центре которых находятся сверхмассивные чёрные дыры.

В двойной системе Cygnus X-3, расположенной в нашей Галактике, чёрная дыра и звезда-гигант обращаются настолько тесно, что звезда теряет вещество: его уносит мощный звёздный ветер. Из окрестностей чёрной дыры бьют релятивистские струи — узкие потоки плазмы, разогнанные до околосветовых скоростей.

Массивные звёзды завершают жизненный цикл колоссальным взрывом, который Фриц Цвикки назвал сверхновой. В эпицентре ядро коллапсирует в сверхплотный остаток — чёрную дыру или нейтронную звезду.

Струя воды из шланга, бьющая в стену, растекается в стороны. Так же ведут себя астрофизические джеты — узкие потоки плазмы, выбрасываемые из окрестностей чёрных дыр или молодых звёзд. Когда такой поток встречает сопротивление окружающего газа, внутри него образуется ударная волна, похожая на стоячую волну в быстрой реке.

Из центра галактики, где прячется чёрная дыра, в обе стороны бьют узкие струи раскалённого газа — джеты. Они светятся на огромных расстояниях, иногда длиннее самой галактики. Как именно чёрная дыра запускает эти струи, до конца не ясно, но есть элегантная идея: вращение чёрной дыры закручивает магнитные поля, и они, как пружина, выбрасывают вещество наружу.

В 2010-х физики, работающие на Большом адронном коллайдере, научились создавать в лаборатории вещество, которое в обычном мире не встречается.

Луч лазера обычно летит прямо, как струя воды из шланга. Но что, если закрутить эту струю, как нить штопора? Получится световая пружина — луч, который при движении ещё и вращается вокруг своей оси. В каждой точке пространства его яркость описывает спираль, и если поставить на пути такого луча плоский экран, на нём появится вращающееся световое пятно.

Когда два протона сталкиваются на огромной скорости, из точки удара вылетает узкий пучок частиц — струя, похожая на брызги от брошенного в воду камня. В столкновениях тяжёлых ядер свинца всё сложнее: внутри возникает горячее облако, которое мешает струе лететь прямо. Измерение показало: если струя слабая, её путь почти не меняется.

В центре почти каждой крупной галактики прячется чёрная дыра. Когда она поглощает газ, то выбрасывает обратно мощные потоки — как дракон, который не может проглотить всю добычу и выдыхает пламя. Эти «ветры» разгоняются до тысяч километров в секунду и могут разметать запасы газа, из которого рождаются звёзды.

Нейтронная звезда PSR J1101-6101 несётся сквозь космос со скоростью, от которой захватывает дух. Она оставляет за собой след из заряженных частиц — как катер, который на полном ходу вспарывает воду и тянет за собой пенный хвост.

Черная дыра в двойной системе V4641 Стрельца ведет себя как гигантский миксер. Она засасывает вещество соседней звезды и выбрасывает его обратно в космос двумя узкими струями. Эти струи бьют в окружающий газ, как струя воды в песок, и постепенно выдувают вокруг дыры огромную полость. Радиотелескоп MeerKAT в Южной Африке смотрел на эту систему несколько часов.