11.6K
Сверхмассивные черные дыры, которые скрываются в сердце большинства галактик, часто описываются как «звери» или «монстры». Несмотря на это, они почти невидимы. Чтобы подтвердить их присутствие, астрономы измеряют скорость облаков газа, вращающихся вокруг этих регионов.
Порой эти объекты показывают свое присутствие благодаря созданию мощных струй, выбрасывающих столько энергии, что они способны затмить весь свет, излучаемый родительской галактикой. Известно, что релятивистские струи представляют собой два потока плазмы, движущиеся в противоположных направлениях с очень близкими к скорости света скоростями. Однако физика, управляющая этими космическими фонтанами, давно является загадкой. Новая статья, опубликованная в Nature Astronomy, проливает свет на причины их необычного внешнего вида.
Ученых поражает впечатляющая стабильность джетов: они выходят из области размером с горизонт событий (точки невозврата) сверхмассивной черной дыры и распространяются достаточно далеко, вырываясь из галактики и при этом сохраняя свою форму на длительное время. Длина струй в миллиард раз превышает их первоначальный радиус.
Однако, когда струи распространяются на большие расстояния, они делятся на протяженные структуры. Как объясняют в новой работе Константинос Гургулиатос и Сергей Комиссаров из Даремского и Лидского университетов (Великобритания), это указывает на то, что джеты подвергаются некоторой нестабильности, достаточно сильной, чтобы полностью изменить их внешний вид.
Дихотомия струй
Впервые джеты были обнаружены в 1918 году американским астрономом Хебером Кертисом, который заметил «любопытный прямой луч» в гигантской эллиптической галактике M87. В 1970-х годах астрономы из Кембриджского университета (Великобритания) Берни Фанарофф и Джулия Райли изучили большой набор струй. Они обнаружили, что их можно разделить на два класса: джеты, яркость которых с расстоянием уменьшается, и те, что по краям становятся ярче. В целом, второй тип примерно в 100 раз ярче первого. Эти виды несколько различаются на концах – первый похож на вспыхивающий шлейф, а второй напоминает тонкий турбулентный поток. Оба класса джетов являются областью активных исследований.
Когда материал ускоряется черной дырой, он достигает до 99,9% скорости света. Если объект движется так быстро, время внутри него замедляется. Иными словами, время в струе, измеряемое извне, течет медленнее, как и предсказывалось Специальной теорией относительности Эйнштейна. Из-за этого для эффективной защиты струи от разрушения требуется, чтобы различные части джета взаимодействовали друг с другом при удалении от источника.
Когда струя выбрасывается из черной дыры, она расширяется. Это расширение создает давление внутри потока, а давление газа, окружающего струю, не уменьшается. В конце концов, внешнее давление газа превышает внутреннее давление струи и сжимает поток. В этот момент части струи сближаются и взаимодействуют. Если некоторые части струи стали нестабильными, за счет взаимодействия нестабильность может распространиться на остальные части и воздействовать на весь пучок.
Процесс расширения и сжатия струй имеет еще одно важное следствие: поток длиннее при движении по искривленным траекториям. Изогнутые потоки, вероятно, пострадают от «центробежной нестабильности», что означает, что они начнут создавать вихревые структуры. До недавнего времени для джетов это не считалось критичным.
Действительно, новые подробные компьютерные моделирования показывают, что релятивистские струи дестабилизируются из-за центробежной неустойчивости, которая изначально влияет только на их взаимодействие с галактическим газом. Однако, если они сужаются из-за внешнего давления, эта нестабильность распространяется по всей струе, и она настолько катастрофична, что струя не выдерживает и уступает место тонкому турбулентному потоку.
Благодаря новому исследованию ученые лучше поняли впечатляющую стабильность астрофизических струй. Они также объяснили существование двух загадочных классов струй, обнаруженных Берни Фанароффом и Джулией Райли. Компьютерное моделирование того, как выглядят эти струи на основе понимания физики космических лучей, очень напоминает два класса, наблюдаемых астрономами. Оказалось, что все зависит от того, насколько далеко от галактики струя становится неустойчивой. Мало-помалу тайна космических монстров открывается, и получается, что сверхмассивные черные дыры совершенно законопослушны и предсказуемы.