Релятивистские струи, испускаемые активными ядрами галактик,
микроквазаров и гамма-всплесков, являются одними из наиболее мощных
ускорителей частиц во Вселенной. В отличие от традиционных
ударно-волновых фронтов в остатках сверхновых, здесь доминируют
процессы, связанные с экстремально высокими скоростями потоков,
магнитогидродинамическими неустойчивостями и сложными конфигурациями
электромагнитных полей.
Основные физические условия
Релятивистская струя представляет собой узкий поток плазмы,
движущийся со скоростью, близкой к скорости света, с лоренцевым фактором
γ ≈ 10–1000. Основные параметры, определяющие ускорение в таких
системах:
- магнитизация плазмы (отношение энергии магнитного
поля к кинетической энергии частиц);
- градиенты давления и плотности, создающие сдвиговые
течения;
- развитие плазменных неустойчивостей (например,
неустойчивости Кельвина–Гельмгольца и дрейфовых мод);
- сильная анизотропия электромагнитных полей,
приводящая к формированию электрических полей ускоряющего типа.
Эти условия формируют уникальную среду, где могут реализовываться как
стохастические, так и регулярные механизмы ускорения.
Ударно-волновое ускорение в
струях
На границах струи, а также в местах реколлимации и взаимодействия с
окружающей средой, формируются релятивистские ударные волны.
- Прямые ударные волны ускоряют частицы по механизму
Ферми I рода. При этом частицы многократно пересекают фронт ударной
волны, накапливая энергию.
- Обратные ударные волны, возникающие в месте
взаимодействия струи с межгалактической средой, также могут служить
источниками космических лучей ультравысоких энергий.
Спектр частиц в таких процессах близок к степенному, что согласуется
с наблюдаемыми спектрами космических лучей и синхротронного излучения в
радиодиапазоне.
Сдвиговое ускорение
Одним из уникальных механизмов, характерных для релятивистских струй,
является ускорение в сдвиговых потоках. При движении
частиц вдоль градиента скорости плазмы, они многократно пересекают
области с различными скоростями, что ведет к накоплению энергии.
Особенности этого механизма:
- Эффективность возрастает при больших лоренцевых факторах струи.
- Наблюдается сильная зависимость от конфигурации магнитного поля:
продольные магнитные линии задерживают частицы в области сдвига, повышая
эффективность процесса.
- Сдвиговое ускорение особенно важно в областях краевых слоев струи,
где контакт с окружающей средой вызывает развитие турбулентности.
Магнитное пересоединение
Внутри струй нередко наблюдаются области, где магнитные линии
противоположной направленности сталкиваются и аннигилируют. Процесс
магнитного пересоединения сопровождается выделением значительной энергии
и генерацией электрических полей, способных эффективно ускорять
частицы.
- При релятивистском пересоединении скорость
сближения магнитных линий может составлять значительную долю от скорости
света.
- В таких условиях образуются компактные зоны ускорения, где частицы
получают импульсы почти напрямую от электрического поля, а не через
диффузионный процесс.
- Пересоединение часто связывается с яркими вспышками в
гамма-диапазоне, наблюдаемыми в активных ядрах галактик и блазарах.
Стохастическое
ускорение в турбулентности
Внутренняя структура струй характеризуется развитой турбулентностью.
Электромагнитные волны и неустойчивости создают стохастическое поле
рассеяний, приводящее к ускорению частиц по механизму Ферми II рода.
- Энергия частиц растет при многократных взаимодействиях с движущимися
магнитными неоднородностями.
- Эффективность определяется спектром турбулентности и скоростью
распространения возмущений.
- В отличие от ударных фронтов, здесь формируются более мягкие
энергетические спектры.
Роль электромагнитных полей
В релятивистских струях возможно прямое ускорение за счет продольных
электрических полей, возникающих в результате нестабильностей или
электродинамических эффектов (например, разрядов в плазме).
- Эти процессы могут объяснять ультрабыстрое ускорение электронов,
необходимое для генерации короткоживущих вспышек в оптическом и
гамма-диапазоне.
- Поддержание значительных электрических полей связано с глобальной
конфигурацией магнитного поля струи и ее связью с аккреционным диском
или вращающейся черной дырой.
Астрофизические проявления
Ускорение частиц в релятивистских струях проявляется в различных
наблюдаемых феноменах:
- радиоизлучение от синхротронных электронов,
позволяющее картировать структуру струй;
- гамма-вспышки и всплески высокой энергии, связанные
с пересоединением и быстрым ускорением;
- нейтринные события высокой энергии, указывающие на
адронное ускорение до ультравысоких энергий;
- возможный вклад в космические лучи сверхвысоких
энергий (E > 10¹⁹ эВ), поступающих на Землю.