Механизмы образования джетов
Джеты — это узконаправленные струи высокоэнергетической плазмы,
выбрасываемые из окрестностей компактных объектов, включая чёрные дыры.
Основной механизм их формирования связан с аккрецией вещества на чёрную
дыру и взаимодействием с её магнитным полем. Важнейшие процессы
включают:
Аккреционный диск: Вещество, падающее на чёрную
дыру, формирует аккреционный диск, где кинетическая энергия газа
превращается в тепловую и излучательную энергию. При высоких скоростях
вращения диска формируется сильное магнитное поле, способное
коллимировать и ускорять плазму в узкие струи.
Магнитно-гидродинамические (МГД) процессы: Джеты
преимущественно формируются благодаря МГД эффектам. Вблизи чёрной дыры
магнитные линии закручиваются вместе с вращающейся материей диска. Это
создает условия для ускорения плазмы вдоль оси вращения. Ключевые
механизмы включают:
- Эффект Бландфорда–Пейн: Вращающийся аккреционный
диск переносит плазму вдоль открытых магнитных линий, создавая
джет.
- Эффект Бландфорда–Знаека: Энергия джета извлекается
из вращения самой чёрной дыры через её эргосферу, что позволяет ускорять
частицы до релятивистских скоростей.
Релятивистские эффекты: Вблизи горизонта чёрной
дыры гравитационные и релятивистские эффекты играют ключевую роль в
ускорении частиц. Плазма, выбрасываемая с окрестностей горизонта
событий, может достигать релятивистских скоростей, приближаясь к
скорости света, что объясняет наблюдаемые сверхсветовые эффекты в джетах
на больших расстояниях (аппаратно: кажущееся сверхсветовое
движение).
Структура джетов
Джеты имеют сложную многоуровневую структуру, включающую:
- Ствол джета — узкая, сильно коллимированная струя
плазмы, формирующаяся вблизи чёрной дыры.
- Слой оболочки (sheath) — область с более низкой
скоростью, окружающая ствол, участвующая в обмене энергией с окружающей
средой.
- Головка джета — область, где джет взаимодействует с
межгалактической средой, образуя ударные волны, которые могут ускорять
космические лучи.
Физические процессы внутри
джета
Ускорение частиц: Основные механизмы — ударные
волны, магнитное реконнекшн и турбулентность. Частицы могут ускоряться
до энергий, в тысячи раз превышающих те, что достигаются в земных
ускорителях.
Излучение:
- Синхротронное излучение: Электроны и позитроны,
движущиеся в магнитных полях, излучают в радио- и рентгеновском
диапазоне.
- Обратное комптоновское рассеяние: Фотонное поле
аккреционного диска или джета рассеивается релятивистскими частицами,
создавая гамма-излучение.
Магнитная структура: Джеты демонстрируют сложные
конфигурации магнитного поля — спиральные и тороидальные компоненты. Они
стабилизируют поток плазмы и влияют на коллимацию.
Влияние на окружающую среду
Джеты чёрных дыр имеют значительное влияние на галактическую и
межгалактическую среду:
- Поддержание теплового баланса: Джеты переносят
энергию на большие расстояния, нагревая окружающий газ и предотвращая
его быструю конденсацию.
- Формирование галактических структур: Воздействие
джетов может создавать гигантские радио-пузыри и влиять на скорость
звездообразования в галактиках.
- Ускорение космических лучей: В ударных волнах
джетов частицы достигают ультрарелятивистских энергий, становясь
источниками высокоэнергетического излучения.
Наблюдательные признаки
- Радиоизлучение: Джеты проявляются как мощные
радиоисточники с линейной структурой, длина которых может превышать
размеры самой галактики.
- Оптическое и рентгеновское излучение: Узлы джета
(knots) видны в оптическом и рентгеновском диапазонах, что указывает на
локальное ускорение частиц.
- Сверхсветовое движение: Кажущееся превышение
скорости света объясняется релятивистским эффектом при небольшом угле
наклона джета к линии наблюдения.
Классификация джетов
- Релятивистские джеты: Формируются вокруг активных
ядер галактик (AGN), включают мощные FR I и FR II радиоисточники.
- Микроджеты: Возникают в рентгеновских двойных
системах с чёрными дырами или нейтронными звёздами, отличаются меньшей
длиной и энергией.
Джеты представляют собой уникальный физический лабораторный комплекс,
где взаимодействие гравитации, магнитных полей и плазмы проявляется в
экстремальных условиях. Их изучение позволяет понять фундаментальные
процессы аккреции, ускорения частиц и обмена энергией между компактными
объектами и окружающей средой.