Релятивистские джеты — это узкие высокоскоростные потоки плазмы и магнитных полей, испускаемые из окрестностей черных дыр или нейтронных звезд, движущиеся со скоростями, близкими к скорости света. В активных ядрах галактик они питаются аккрецией на сверхмассивные черные дыры и могут простираться на миллионы световых лет, далеко за пределы своей галактики. Эти джеты относятся к числу самых энергичных явлений во Вселенной, излучая во всем электромагнитном спектре и иногда производя нейтрино и космические лучи.
История
Концепция джетов в активных галактиках была установлена в 1970-х годах с помощью радиоастрономических наблюдений, но их релятивистская природа была подтверждена в 1980-х годах с помощью радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ), показавшей кажущееся сверхсветовое движение. Теоретическая основа магнитного запуска была разработана Роджером Блэндфордом и Романом Знаеком в 1977 году.
Как это работает
Джет запускается закручиванием линий магнитного поля, закрепленных во вращающемся аккреционном диске или в эргосфере черной дыры. По мере падения вещества внутрь магнитное поле извлекает вращательную энергию и ускоряет плазму наружу вдоль оси вращения черной дыры. Излучение джета возникает за счет синхротронного излучения релятивистских электронов, спирально движущихся в магнитном поле, а также за счет обратного комптоновского рассеяния низкоэнергетических фотонов до высоких энергий. Когда джет направлен на Землю, он выглядит как блазар, а его излучение усиливается релятивистским пучением.
Где применяется
Релятивистские джеты изучаются для понимания физики вращения черных дыр и аккреции, а также служат естественными ускорителями частиц: некоторые из самых высокоэнергичных космических лучей и нейтрино прослеживаются до них.
Любопытный факт
Джет в галактике M87, снятый телескопом Event Horizon Telescope, по-видимому, покачивается, что служит прямым доказательством влияния вращения черной дыры на направление джета.
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.
В кольцевом канале между двумя зубчатыми кольцами висят микросферы: одни радиусом 8 микрометров, другие 14. Включается разряд, и частицы приходят в движение. Мелкие едут в одну сторону, крупные в другую. Словно в торговом центре, где для людей разного роста работают эскалаторы, движущиеся навстречу друг другу.
Частица с энергией $$10^{18}$$ эВ врезается в атмосферу Земли — это как если бы теннисный мяч, летящий со скоростью 200 км/ч, врезался в стену. Откуда берутся такие снаряды, астрофизики спорят десятилетиями. Гамма-всплески — кратковременные мощные взрывы гамма-излучения — давно подозревали в роли ускорителей.
Водоворот заглатывает воду, но большую её часть разбрызгивает вокруг. Примерно так ведёт себя чёрная дыра — область пространства-времени с гравитацией столь мощной, что даже свет не может её покинуть, — когда на неё падает слишком много вещества.
Самый быстрый ветер во Вселенной несётся со скоростью 0,58 скорости света. Расстояние от Земли до Луны он покрывает за две секунды. Этот ветер — не струя из джета, а широкий поток газа, вырывающийся из центра галактики. Не все чёрные дыры работают одинаково: одни порождают такие ураганы, а другие — узкие плазменные лучи. Ответ напоминает зацепление шестерёнок.
Семьдесят два протопланетных диска — вращающихся газопылевых кокона, полных космической пыли и газа, — попали под прицел инструмента MIRI на JWST. У большинства в космос вырываются потоки: плотные конические структуры и тонкие скоростные струи. Они бьют, как фонтаны. Этот процесс не случаен.
В центре далёкой галактики, где вращается сверхмассивная чёрная дыра массой в сто миллионов солнц, пространство пронизано магнитными полями. Они закручены в тугие вихри — словно воронка в раковине, только вместо воды там плазма, разогнанная до околосветовых скоростей.
Коллапс ядра звезды похож на сжатие пружины: вещество падает внутрь, а в центре рождается нейтронная звезда. Но падение не бывает идеально ровным. В кипящих внешних слоях случайные завихрения передают вращение падающему газу — и вокруг центрального объекта закручивается диск.
Этот диск — не спокойная река. Он пульсирует: то усиливается, то затухает.
Ветка падает в водоворот. Её крутит и ломает, но иногда из центра вырывается мощный фонтан воды. Примерно так же чёрная дыра разрывает пролетающую мимо звезду, и порой после этого в космос бьёт ослепительная струя плазмы — джет.
Десять миллиардов лет назад Вселенная была усеяна странными алыми искрами. Телескоп «Джеймс Уэбб» разглядел их на снимках далёких красных смещениях — компактные источники, светящиеся как целые галактики, но размером с крошечную область в их центре. Астрономы прозвали их «маленькими красными точками».
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.
Космос полон криков, которых мы не слышим. Каждый раз, когда чёрная дыра разрывает звезду, рождается ослепительная вспышка, и часто — узкий релятивистский джет, бьющий на тысячи световых лет. Но если этот прожектор направлен в сторону от Земли, мы видим лишь слабый отсвет — радиоэхо, приходящее с задержкой.
В сердце галактики 1ES 1927+654 годами царила тишина: аккрецирующий газ лишь шептал в рентгене, истекая медленными ветрами. Но в 2022–2025 годах картина резко изменилась. Спектры, снятые обсерваториями XMM-Newton и Swift, заиграли эмиссионными линиями — узкий пик на 0.56 кэВ, вероятно от кислорода OVII, и более широкая деталь у 1 кэВ, а также мощная полоса железа в области 6–7 кэВ.
В созвездии Орла, на расстоянии около 40 тысяч световых лет от нас, работает один из самых мощных природных ускорителей в Галактике. Это микроквазар GRS 1915+105 — пара из обычной звезды и черной дыры. Черная дыра перетягивает на себя вещество звезды и выбрасывает его в виде двух узких струй, разогнанных почти до скорости света.
Почти полтора десятилетия назад гамма-телескоп Fermi зарегистрировал загадочные «пузыри» — гигантские сгустки плазмы, словно надутые невидимыми лёгкими, вздымающиеся на десятки тысяч световых лет от центра Галактики.
Блазары — это долгоживущие струи плазмы, вырывающиеся из окрестностей чёрных дыр в ядрах галактик. Гамма-всплески — кратчайшие, но невероятно мощные вспышки, рождающиеся при коллапсе массивных сверхновых или слиянии нейтронных звёзд.
Представьте трёхликого танцора на гребне световой волны. Один лик — ловец, вбирающий падающие фотоны. Второй — идеальное зеркало, бросающее свет обратно. Третий — матовое стекло, рассеивающее лучи во все стороны. Пока скорость мала, танец слажен. Но на околосветовых скоростях хореография ломается.
Это похоже на сёрфера, догоняющего волну. Поначалу вода мощно толкает вперёд.
Мощный пылесос засасывает не только пыль, но и собственный мешок для сбора мусора. Примерно так ведёт себя чёрная дыра в центре «красной точки» — далёкой галактики, где свечение идёт не от самой дыры, а от её плотной газовой шубы. Эта шуба настолько толстая, что напоминает раздутую холодную звезду. И, как у многих звёзд, у неё есть магнитное поле.
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.
В центре многих галактик сидит сверхмассивная чёрная дыра. Когда на неё падает газ, он разогревается и светится ярче целой галактики — это активное ядро. Иногда оттуда вырывается настоящий ураган: поток ионизованного газа, который мчится со скоростью в десятки процентов от скорости света.
Новорождённая звезда похожа на кухонный миксер: она взбивает окружающее облако, и во все стороны летят брызги. Только вместо теста — газ и пыль. Раньше астрономы видели лишь газовые струи, а пыль считали слишком хрупкой: ударная волна должна разбивать пылинки на атомы.
Возле чёрных дыр и нейтронных звёзд плазма бурлит, как вода в кипящем чайнике. Но в этом «чайнике» нет стенок — только магнитные поля, которые скручиваются и рвутся. В местах разрывов возникают тонкие слои, где магнитное поле пересоединяется, и частицы получают пинок, как сёрфер на волне.
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.
Когда два ядра свинца сталкиваются на огромной скорости, на миг рождается облако раскалённой материи — плотнее и горячее, чем в центре Солнца. Сквозь это облако летят струи частиц: узкие, как лазерные лучи, пучки, выбитые ударом. Детектор CMS ловит их следы и показывает, как струи меняются, продираясь сквозь горячий «туман».
Садовый шланг бьёт мощной струёй воды. Если его слегка пережать или дёрнуть, струя начинает извиваться, как змея, и брызги летят в стороны. Похожее происходит с гигантскими струями плазмы, которые выбрасывают чёрные дыры. Эти струи закручены магнитными полями и могут терять устойчивость, начиная колебаться.
Вода в воронке уходит вниз не вся: часть её выплёскивается вверх узкими брызгами. Похоже ведёт себя газ возле чёрной дыры. Он падает, раскаляется, сталкивается сам с собой — и часть его выбрасывается обратно в космос двумя узкими струями, которые летят в противоположные стороны.
Обычно такие струи объясняют магнитным полем, которое закручивает газ и выстреливает его вдоль оси вращения.
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.
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.
Чёрные дыры — это космические водостоки, воронки гравитации, затягивающие вещество из окружающего пространства. Этот процесс, называемый аккрецией, не всегда проходит гладко: часть падающего газа может быть выброшена обратно в виде узких релятивистских струй — джетов.
Молодая звезда, ещё не зажёгшая термоядерную печь, окружена вращающимся диском из газа и пыли. Чтобы набрать массу, ей нужно избавляться от лишнего вращения — иначе вещество не упадёт на звезду, а останется кружиться по орбите. Обычно этот избыток уносится двумя узкими струями газа, которые бьют с полюсов звезды в противоположные стороны, как два фонтана.
Ночью 2008 года в ядре далёкой галактики J1047+5907 что-то резко вспыхнуло в рентгеновском диапазоне. Так иногда ведут себя окрестности сверхмассивной чёрной дыры: раскалённое облако газа над ней вдруг выбрасывает мощный поток света. Сама чёрная дыра ничего не излучает, но её окружение может вспыхивать, как неоновая вывеска.
На Солнце то и дело взлетают узкие струи плазмы — корональные джеты. Они похожи на фонтаны раскалённого газа, которые выбрасываются из атмосферы звезды. Один из таких выбросов, случившийся 10 ноября 2022 года, привлёк внимание учёных: он сопровождался вспышкой класса C1.1 и имел необычно широкий конус.
В центре галактики NGC 4278 сидит чёрная дыра, которая выбрасывает две струи плазмы — как гигантская пушка, стреляющая частицами в космос. Эти струи разгоняют частицы до энергий, которые не снились ни одному земному ускорителю.
Астрономы окрестили их «маленькими красными точками» — далёкие галактики, в ядрах которых скрывается сверхмассивная чёрная дыра, окутанная плотной оболочкой из водорода. Такая «упаковка» — не просто космический камуфляж, а природный ускорительный механизм.
В центре галактики VV 340a находится сверхмассивная чёрная дыра — объект с гравитацией настолько мощной, что даже свет не может её покинуть. Она испускает релятивистскую струю — узкий поток вещества, разогнанного до околосветовых скоростей. Эта струя не сохраняет постоянного направления: её ось описывает конус, подобно оси замедляющегося волчка.
Ночью по небу летят невидимые пули — космические лучи. Это ядра атомов, разогнанные до скоростей, близких к световой. Магнитные поля Галактики путают их пути, поэтому понять, где именно они родились, трудно. Главными подозреваемыми долго были остатки взорвавшихся звёзд, но для самых быстрых частиц улик не хватало.
Теперь на сцену выходят чёрные дыры в паре с обычной звездой.
В 2019 году астрономы показали первый в истории снимок тени чёрной дыры — тёмный провал, окружённый неровным оранжевым кольцом. Это сверхмассивная чёрная дыра в центре галактики M87, в 55 миллионах световых лет от нас. Кольцо не просто светится: одна его сторона заметно ярче другой. Как будто костёр горит неровно — с одной стороны пламя выше.
Телескоп «Джеймс Уэбб» зафиксировал в далёкой галактике светящуюся полосу, напоминающую кильватерный след за катером, но растянувшуюся на двести тысяч световых лет. В головной части этого следа движется сверхмассивная чёрная дыра — объект с гравитацией настолько мощной, что даже свет не может её покинуть.
Гамма-всплески — самые мощные взрывы во Вселенной: умирающая звезда схлопывается в чёрную дыру — область с гравитацией такой силы, что даже свет не может её покинуть, выбрасывая потоки энергии. Нередко это случается после вспышки сверхновой — взрывного финала жизни массивной звезды.
