Релятивистская струя

У этого термина существуют и другие значения, см. Струя.

Активная гигантская эллиптическая галактика M87. Из центра галактики вырывается релятивистская струя; вторая струя возможно существует, но не наблюдаема с Земли

Релятивистские струи, джеты (англ. jet) — струи плазмы, вырывающиеся из центров (ядер) таких астрономических объектов, как активные галактики, квазары и радиогалактики.

Обычно у объекта наблюдается две струи, направленные в противоположные стороны.

Причины возникновения

На настоящий момент релятивистские струи остаются недостаточно изученным явлением. Причиной появления таких струй часто называют взаимодействие магнитных полей с аккреционным диском вокруг чёрной дыры или нейтронной звезды.

В статье на «Элементах» методом численного моделирования показано, что при слиянии двух нейтронных звёзд образуется чёрная дыра, магнитное поле которой вытянуто вдоль оси. Это наводит на мысли, что этот же процесс может формировать и релятивистские струи. Тем не менее, в статье говорится, что предложенная авторами научной работы математическая модель оказалась очень сложна, а вычислительные возможности современных компьютеров оказались недостаточны, чтобы с должной точностью провести все необходимые расчеты и убедительно доказать формирование струй.

В другой статье на «Элементах» проводятся параллели между процессами в черных дырах и бозе-эйнштейновском конденсате. Отмечается что конденсат может коллапсировать («слипаться») и при последующем его распаде тоже могут возникать узконаправленные выбросы.

Скорость релятивистских струй поперёк луча зрения

При наблюдении перемещения релятивистской струи на небесной сфере может возникнуть иллюзия движения со сверхсветовой скоростью. Однако, для объяснения этого эффекта нет нужды сомневаться в основах теории относительности.

Первое теоретическое обоснование этого явления было дано английским астрофизиком Мартином Рисом в 1966 году. Представим, что имеется выброс (струя) вещества из центра некоторого источника, движущийся с некоторой достаточно большой (но естественно, досветовой) скоростью под тупым углом к лучу зрения (то есть более или менее в сторону наблюдателя). Для простоты, будем считать центр объекта неподвижным относительно наблюдателя. Принимаемый сигнал от более близких к наблюдателю частей струи испускается в более поздние моменты времени, по сравнению с сигналом из неподвижного центра. Следовательно, измеряемая наблюдателем проекция скорости на картинную плоскость (то есть плоскость перпендикулярную к лучу зрения) будет больше скорости, вычисляемой когда ближняя часть струи и центр наблюдаются в один и тот же момент времени. При особенно удачной ориентации^[1] видимая скорость становится в $\gamma=1/\sqrt{1-(v/c)^2\,}$ (Лоренц-фактор) раз больше истинной скорости движения v. В ряде случаев наблюдается Лоренц-фактор порядка 10. Сверхсветовые источники, таким образом, являются доказательством существования релятивистских выбросов из ядер галактик и квазаров^[2]. Наблюдения методом сверхдальней радиоинтерферометрии показали, что сверхсветовое движение компонент очень типично для этих объектов^[3].

Дальнейшее изучение релятивистских струй

При самых первых попытках объяснения сверхсветового движения с помощью релятивистского направленного потока частиц возникло осложнение: удивительно большая доля компактных источников показывала сверхсветовое движение, в то время как на основании простых геометрических доводов получалось, что только несколько процентов таких объектов должно быть случайно ориентировано почти вдоль линии зрения. Присутствие симметричных протяжённых радиокомпонент предполагало, что они обеспечивались энергией от центрального источника двух симметричных лучей. Но трудно сравнить светимость приближающейся и удаляющейся (или даже стационарной) компонент. Это очевидное различие обычно обсуждается в контексте модели с двойным истечением^[4], когда излучение из ядра рассматривается как стационарная точка, где приближающийся релятивистский поток становится непрозрачным. Сверхсветовое движение наблюдается между этой стационарной точкой в сопле и движущимися волновыми фронтами или другими неоднородностями в выходящем релятивистском потоке.

Так называемые унифицированные модели, которые интерпретируют разнообразие наблюдаемых свойств как простые геометрические эффекты, оказались лишь частично успешными. В своей простейшей форме модели релятивистского прохождения лучей объясняют наблюдаемые отношения между кажущейся скоростью и допплеровским усилением светимости. Обсуждение сосредоточилось на природе объектов вне струи или родительской популяции.^[5] считали, что радиогромкие квазары — это допплеровски усиленное подмножество гораздо большего числа оптически наблюдаемых квазаров, а в работе^[6] компактные источники рассматриваются как допплеровски усиленные компоненты протяженных радиоисточников. Однако тщательные наблюдения радиоядер и выбросов не совместимы полностью с эффектами, ожидаемыми по простым моделям релятивистского выброса^{[7][8][9][10]}.

Компактные сверхсветовые выбросы всегда следуют в том же самом направлении, что и более протяженные выбросы, включая, в некоторых случаях (напр., ЗС 273 и M87), оптические выбросы. Таким образом, для толкования появления компактных выбросов, с одной стороны, как результата различного допплеровского усиления двустороннего по природе своей релятивистского потока, очевидно, необходимо, чтобы крупномасштабные струи тоже двигались с релятивистской скоростью. Это выглядело бы весьма странным, так как трудно представить, как релятивистский поток может продолжать движение без изменений до нескольких килопарсек в сторону от центра движения. Однако измерения фарадеевского вращения плоскости поляризации разных деталей протяженных радиоисточников показывают, что наименьшее вращение наблюдается со стороны с выбросом, как и предполагалось, если струя видна только на ближайшей стороне за счет дифференциального допплеровского усиления^[11].

Имеется также в радиогалактике ЗС 120 более прямое наблюдательное подтверждение того, что релятивистский поток продолжается, по меньшей мере, на несколько килопарсек в сторону от ядра^[12]. Дальнейшее осложнение связывается с очевидным распространением свойств от радио- к инфракрасному, оптическому и высокоэнергетическому диапазонам спектра. Если светимость и морфология радиоисточников — это, прежде всего, результат объёмного релятивистского движения и ориентации, а не собственные свойства, то наблюдаемые характеристики на других длинах волн должны интерпретироваться аналогично. Но квазары с иначе направленными струями должны, тем не менее, иметь яркие линии собственного излучения в присутствии слабого континуума, а такие «голые» квазары не наблюдаются. Более того, неясно, как досветовые источники или источники, включающие и стационарные и сверхсветовые источники^[13], вписываются в эту простую схему.

Толкование релятивистского излучения также ставится под сомнение чрезвычайными свойствами ядер. Арп^[14] подчеркнул, что вряд ли вероятно, что уникальный объект ЗС 120 просто случайно оказался правильно ориентированным, чтобы продемонстрировать сверхсветовое движение. Аналогично уникален ЗС 273; это ярчайший на небе квазар, на любых длинах волн. Априорная вероятность того, что этот уникальный объект правильно ориентирован вдоль линии зрения, чтобы наблюдалось сверхсветовое движение, мала разве что, конечно, светимость в оптическом, инфракрасном, рентгеновском, и гамма диапазонах также подвергается доплеровскому усилению. Но ЗС 273 уникален даже по интенсивности своих линий эмиссии, и трудно вообразить сценарии, которые разрешили бы, чтобы эмиссия линий усиливалась объёмным релятивистским движением.

В связи со всем вышеизложенным, проблемы с наблюдением сверхсветовых скоростей в астрономии полностью ещё не разрешены.

См. также

• Гиперновая звезда
• Полярное струйное течение

Примечания

1. ↑ А именно, в том случае, когда линия выброса струи перпендикулярна лучу зрения в системе отсчёта струи, а не центра объекта и наблюдателя. Говоря строго, должны быть перпендикулярны две пространственно-временные плоскости, проходящие через мировую линию струи: одна включающая центр объекта, а вторая — наблюдателя.
2. ↑ К. А. Постнов. Сверхсветовой источник в Галактике
3. ↑ Zensus, J.A., and Pearson, T.J. (1987) Superluminal Radio Sources, Cambridge Univ. Press, Cambridge
4. ↑ Blandford, R.D. and Konigl, A. (1979) Astrophys. J. 232, 34
5. ↑ Scheuer, P.A.G., and Readhead, A.C.S. (1979) Nature 277, 182
6. ↑ Orr, M.J. and Browne, I.W.A. (1982) Mon. Not. Roy. Ast. Soc. 200, 1067
7. ↑ Kellermann, K.I. et al. (1989) Astronom. J. 98, 1195
8. ↑ Schilizzi, R.T., and de Bruyn, A.G. (1983) Nature 303, 26
9. ↑ Saika, D.J. (1981) Mon. Not. Roy. Ast. Soc. 197, 1097
10. ↑ Saika, D.J. (1984) Mon. Not. Roy. Ast. Soc. 208, 231
11. ↑ Laing, R. (1988) Nature 331, 149
12. ↑ Walker, R.C., et al. (1988) Astrophys. J. 335, 668
13. ↑ Pauliny-Toch, I.I.K., et al. (1987) Nature 328, 778.
14. ↑ Arp, H. (1987) Astrophys. and Astron. 8, 231

Литература

• В. С. Бескин Магнитогидродинамические модели астрофизических струйных выбросов (рус.) // УФН. — 2010. — Т. 180. — С. 1241—1278.