Активные галактические ядра (АГЯ) представляют собой компактные области в центральных частях некоторых галактик, которые излучают огромное количество энергии во всех диапазонах электромагнитного спектра. Энергетический выход АГЯ часто в десятки, а иногда и в тысячи раз превосходит светимость всей остальной галактики. Основным источником этой энергии является аккреция вещества на сверхмассивную чёрную дыру, находящуюся в центре галактики.
АГЯ включают в себя целый спектр объектов, таких как сейфертовские галактики, радиогалактики, квазары и блэйзары. Несмотря на разнообразие наблюдаемых характеристик, существует унифицированная модель АГЯ, согласно которой различия связаны в основном с углом наблюдения, скоростью аккреции и мощностью релятивистских джетов.
Основные компоненты типичного АГЯ:
Гравитация играет ключевую роль в формировании и активности АГЯ. Главный механизм — аккреция вещества на чёрную дыру, при котором гравитационная энергия эффективно преобразуется в электромагнитное излучение. Процесс сопровождается высокой радиационной эффективностью (до 10% массы покоя), что значительно превышает эффективность термоядерных реакций.
Скорость аккреции и её устойчивость определяются балансом между гравитационным притяжением и противодействием со стороны давления и момента импульса аккрецирующего вещества. Внутри аккреционного диска доминирует вязкость, определяемая турбулентностью и, возможно, магнето-ротационной неустойчивостью. Это способствует переносу углового момента и постепенному втеканию вещества внутрь, вплоть до горизонта событий.
Внутри последних нескольких гравитационных радиусов поток становится релятивистским, а радиационные потери выходят на максимум. В этой зоне могут возникать релятивистские джеты, ускоряемые магнитными процессами, такими как механизм Блэндафорда-Знаека.
Поведение материи и излучения вблизи чёрной дыры требует описания в рамках общей теории относительности (ОТО). Метрика пространства-времени в окрестности вращающейся чёрной дыры описывается метрикой Керра. Ключевыми релятивистскими эффектами являются:
Все эти эффекты наблюдаются в спектрах АГЯ, например в виде асимметрии профилей железной линии Кα, сдвигов и расширений эмиссионных линий, а также релятивистских изменений временных шкал переменности.
Максимальная светимость АГЯ ограничивается Эддингтоновским пределом — равновесием между гравитационным притяжением и радиационным давлением на заряженные частицы. Эддингтоновская светимость определяется выражением:
$$ L_{\text{Edd}} = \frac{4\pi G M m_p c}{\sigma_T} $$
где M — масса чёрной дыры, mp — масса протона, σT — сечение Томсона. Для чёрной дыры массой 108M⊙ предел составляет порядка 1.3 × 1046 эрг/с.
При аккреции с меньшей скоростью возможно существование состояния ADAF (advection-dominated accretion flow), в котором большая часть тепла уносится внутрь чёрной дыры, снижая эффективность излучения. При превышении Эддингтоновского предела возможны радиационно-заглушенные потоки или суперэддингтоновская аккреция с мощными выбросами вещества.
Важным компонентом некоторых АГЯ являются джеты — узкие, коллимированные потоки плазмы, движущиеся с околосветовой скоростью. Они простираются на расстояния до сотен килопарсек и играют решающую роль в перенесении энергии и импульса в межгалактическую среду. Воздействие джетов на окружающее вещество формирует гигантские радиоисточники и квазарационные лобовые ударные волны.
Генерация джетов, согласно модели Блэндафорда-Знаека, связана с вращением чёрной дыры и её взаимодействием с магнитным полем. Вытягивание энергии происходит за счёт эффекта Эргосферы и торсионной передачи энергии на поле.
Для объяснения высокой яркости и быстрого изменения блэйзаров необходима учёт релятивистского доплеровского усиления, связанного с направленностью джета к наблюдателю.
АГЯ играют фундаментальную роль в формировании структуры Вселенной. Они являются источниками ионов, ускорителей космических лучей и агентов обратной связи (feedback) в эволюции галактик. Механизмы, включающие излучательное и механическое влияние АГЯ, регулируют скорость звездообразования, термодинамику горячего газа и распределение вещества в галактических скоплениях.
Важное следствие — наблюдаемая корреляция между массой сверхмассивной чёрной дыры и дисперсией скоростей звёзд в балдже галактики (соотношение M–σ). Это указывает на квазикаузальное взаимодействие АГЯ и окружающей галактической среды.
Кроме того, квазары служат яркими маяками на космологических расстояниях, позволяя исследовать межгалактическую среду, расширение Вселенной и физику ранних эпох.
Переменность АГЯ наблюдается во всех диапазонах спектра и на разных временных шкалах — от часов до десятков лет. Она обусловлена флуктуациями в аккреционном потоке, нестабильностями в диске, возмущениями магнитного поля и пересечениями облаков с линией взгляда.
Особый интерес вызывают события приливного разрушения звёзд (tidal disruption events), сопровождающиеся кратковременным появлением яркого АГЯ, а также вспышки, ассоциированные с перетеканием массы между двумя чёрными дырами в процессе их слияния.
Анализ временных шкал используется в методах масштабирования и позволяет оценивать массу чёрной дыры и структуру аккреционного потока по данным фотометрии и спектроскопии.
Слияние галактик приводит к образованию двойных сверхмассивных чёрных дыр. Их взаимодействие сопровождается гравитационным трением, потерями на излучение и в конечном счёте — слиянием с мощным гравитационно-волновым сигналом.
Ожидается, что такие события могут быть зафиксированы наблюдениями с помощью космических детекторов типа LISA. Дополнительно, орбитальное движение двойной системы может модулировать светимость АГЯ, вызывая квазипериодическую переменность.
Изучение двойных АГЯ критически важно для понимания роста чёрных дыр и формирования гигантских эллиптических галактик.
Наблюдаемая классификация АГЯ базируется на спектральных признаках:
Классификация зависит от угла наблюдения, степени закрытости тором и мощности джетов. Это отражено в унифицированной модели, в которой один и тот же объект может проявляться по-разному в зависимости от ориентации.
Подобное глубокое изучение активных галактических ядер не только расширяет наше понимание гравитационных и аккреционных процессов, но и формирует целостную картину взаимосвязей между чёрными дырами, галактиками и эволюцией космоса в целом.