Природа космических джетов
Природа космических джетов
Природа космических джетов
Комментарий теории:#1 Николай Камардин » 13 мар 2014, 17:43
Астрономические наблюдения последних десятилетий привели к открытию у значительного числа небесных объектов т. наз. джетов – узконаправленных энергетических образований, отходящих от небесного тела в двух противоположных направлениях.
Большую часть этих объектов можно разделить на два основных вида. Первый – это очень компактные космические тела, размер которых оценивается десятками километров, а массы лежат в пределах 0.2…2.4 солнечных. Они разбросаны среди звезд нашей и, видимо, других галактик и, по предположениям, являются остатками звезд после завершения ими своего жизненного цикла. Тела эти быстро вращаются вокруг своей оси – некоторые из них совершают до 750 оборотов в секунду. Вследствие этого джеты, испускаемые телом, совершают циклическое движение в пространстве и, если один из них периодически попадает в объектив регистрирующего устройства, то это отмечается как пульсация. Поэтому такие небесные тела были названы пульсарами.
Такое представление о пульсарах дает основание предполагать у них сильное магнитное поле, а исключительно мощная гравитация может вызывать аккрецию вещества на его поверхность. Аккреция очень возможна потому, что многие пульсары обнаружены в составе двойных систем, где их компаньоном является обычная звезда. Предполагается, что вещество из оболочки этой звезды постоянно перетекает в аккреционный диск, образующийся вокруг пульсара, а затем, двигаясь по спирали, падает на его поверхность.
Второй вид космических тел, испускающих джеты, это квазары – загадочные объекты, расположенные в центре многих галактик. Об их природе мало что известно, но одно бесспорно – их размеры и массы на много порядков больше, чем у пульсаров. Это проявляется в мощности джетов – если энергия, излучаемая пульсаром, соизмерима с энергией звезд, то энергия квазара многократно превышает энергию целой галактики, а длина его джетов измеряется десятками тысяч световых лет.
Несмотря на различие масштабов, джеты у пульсаров и квазаров во многом похожи – они могут регистрироваться в радиодиапазоне, в видимом свете, в рентгеновских и гамма-лучах а, проходя через облака межзвездной пыли и газа, вызывают их свечение. Это позволяет предположить у всех джетов общую природу.
Как же современная наука объясняет этот феномен? Сделаем краткий обзор научных работ по этой теме, размещенных на сайте http://arXiv.org за последний год. В работах [1], [2] и других отмечается, что джет представляет собой узконаправленный поток плазмы, в котором электроны движутся с околосветовыми скоростями. Эти электроны, находясь в магнитном поле, испускают т. наз. синхротронное излучение, направленное в сторону своего движения. Фотоны, взаимодействуя с электронами, испытывают Комптоновское рассеяние, но на релятивистских электронах имеет место обратный эффект Комптона – частота отраженного излучения выше, чем падающего.
В работе [3] рассмотрены два возможных сценария этого события. Первый – фотоны синхротронного излучения подвергаются Комптоновскому рассеянию на тех же электронах, которыми они были испущены. Второй сценарий – фотоны, рассеиваемые на электронах, попадают в джет из каких-то внешних источников.
Так, в общих чертах, объясняется широкий спектр излучений джета. Что касается других компонентов, составляющих джет, то здесь уместно привести цитату из работы [1]: «Вещество, образующее джет, точно неизвестно, но наличие в нем релятивистских адронов следует из спектра гамма-излучений. К тому же, сильные деформации, которые вызывает джет в межзвездном пространстве, предполагает значительное содержание барионов».
Несколько слов о структуре джета. В работе [4] предполагается, что его внутренность состоит из разреженного газа, движущегося с большой скоростью, а наружный слой – более плотный медленно движущийся газ.
Но самый главный вопрос астрофизики – как формируется джет и откуда берет огромную энергию. Исследователи предполагают, что процесс испускания джета обусловлен тремя факторами: собственное вращение тела, мощное магнитное поле и аккреция вещества на его поверхность. В самом общем виде этот процесс представляется так. Вещество из аккреционного диска, падая на поверхность тела, движется турбулентно и, вследствие этого, разогревается и ионизируется. Образующиеся заряженные частицы подхватываются магнитным полем и переносятся в районы пересечения оси симметрии поля с поверхностью тела. Здесь магнитное поле разгоняет частицы до больших скоростей и выбрасывает их с обоих полюсов в радиальных направлениях в виде узких пучков. В этом процессе, по мнению исследователей, действует т. наз. механизм Блэндфорда-Знаека (Blandford & Znajek), благодаря которому происходит передача энергии вращения тела через магнитное поле испускаемым потокам джетов.
Поскольку ось магнитного поля наклонена к оси вращения тела, прямая, вдоль которой выбрасываются джеты, описывает круговую коническую поверхность, а сами джеты совершают циклические движения в пространстве.
Однако, по признаниям многих исследователей, теория испускания джетов еще далека от завершения, поскольку результаты исследований пока не дают ответов на все вопросы. Так в работе [5] отмечается: «…для испускания джетов требуется магнитное поле, но требуется ли для этого аккреция, или джет получает энергию только от вращения тела, пока неясно». А вот цитата из работы [1]: «Пока неясна роль магнитного поля в излучении джетов, так как считается, что энергия магнитного поля слишком мала для энергии джетов». К этому следует добавить, что до сих пор нет убедительных ответов на вопросы:
— почему сохраняется высокая скорость частиц джета на больших удалениях от тела?
— как объяснить устойчивость джета на всем его протяжении?
Учитывая незаконченность теории космических джетов, автор представляет свою гипотезу их происхождения, основанную на двух предположениях:
1. Все межзвездное пространство заполнено некоторой средой, которая в целом неподвижна, но в ней могут распространяться колебания.
2. Частицы вещества могут существовать только в движении относительно среды. Если их скорость становится меньше некоторой критической, они распадаются с выделением энергии в виде колебаний.
Как видим, второе предположение вполне соответствует философскому взгляду на движение, как форму существования материи, но с дополнением, что имеется в виду движение относительно среды. Одна из моделей такой среды описана в работе [7].
Теперь переходим к сути новой гипотезы. Как известно, многие космические тела, перемещаясь поступательно, вращаются вокруг собственной оси. Рассмотрим самый простой случай, когда ось вращения тела перпендикулярна вектору скорости поступательного перемещения. Такое движение является плоскопараллельным, где все точки тела перемещаются в параллельных плоскостях.
Из кинематики известно, что если тело движется плоскопараллельно, то обе составляющие этого движения – вращение вокруг собственной оси и поступательное перемещение – можно заменить одним вращением вокруг т. наз. мгновенной оси. Эта мгновенная ось проходит на некотором расстоянии от собственной оси вращения тела и всегда параллельна ей. Расстояние между осями тем меньше, чем быстрее вращается тело (при неизменной скорости поступательного движения).
Когда мгновенная ось проходит в стороне от тела, то никакого эффекта нет. Если же скорость вращения настолько велика, что мгновенная ось пересекает тело, то в нем появляются точки, которые оказываются неподвижными относительно среды. Точки эти лежат на мгновенной оси, а скорости остальных точек пропорциональны расстоянию до нее. Отсюда следует, что все частицы тела, у которых скорости становятся меньше критической в один и тот же момент времени, расположены внутри цилиндра, описанного вокруг мгновенной оси некоторым радиусом.
Согласно предположению 2 все частицы тела, попадающие в эту область, одновременно начинают распадаться, выделяя всю свою энергию. Как будто в трубе, открытой с обоих концов, постоянно сгорает мощный заряд, и из нее вырываются струи энергии, узкими пучками расходящиеся в обе стороны перпендикулярно плоскости вращения тела.
В некоторых исследованиях оценивается размер участка поверхности пульсара, из которого исходит джет. Размер этот небольшой – всего несколько десятков метров. В нашем случае это и есть диаметр цилиндрической области, в которой происходит выделение энергии.
Мы рассмотрели случай, когда ось вращения пульсара перпендикулярна направлению его поступательного движения. Если же ось наклонена, то вектор скорости поступательного движения можно разложить на две составляющие, одну из которых направить вдоль оси вращения, а вторую – перпендикулярно. Если модуль первой составляющей меньше критической скорости, то и в этом случае имеются условия для распада вещества тела по описанному выше сценарию.
Однако в предложенном механизме образования джетов есть одна неувязка – прямая, вдоль которой выбрасываются джеты, должна быть всегда параллельна оси вращения тела. Почему же тогда джеты совершают циклическое движение в пространстве? Это значит, что и сама ось вращения тела совершает такое же движение, т.е. прецессирует, описывая круговую коническую поверхность.
Согласно предложенной гипотезе, для образования джетов необходимо, чтобы тело вращалось с большой угловой скоростью. Но каков должен быть период вращения пульсара, чтобы при его малых размерах мгновенная ось проходила через него? В работе [6] приведена оценка поступательных скоростей небесных объектов, испускающих джеты – эти скорости лежат в пределах 100…10 000 км/с. Тогда, приняв радиус пульсара порядка 10 км., находим, что его период должен быть не более 0.6 с. Однако известно, что периоды большинства пульсаров лежат в диапазоне 0.5…1 с., а у некоторых достигает 9.43 секунд (пульсар PSR-J2144-3933). Как же тогда у них образуются джеты?
Здесь следует вспомнить, что период пульсара – это время, в течение которого джет совершает полный цикл движения в пространстве. Но это движение вызвано прецессией вращающегося тела, поэтому период пульсара – это не время его полного оборота вокруг оси, а период, в течение которого ось описывает коническую поверхность. Период этот может быть сколь угодно большим и кинематически не связан со скоростью вращения тела. Следовательно, собственная скорость вращения тела вокруг своей оси может быть очень высокой и вполне достаточной для образования джетов.
В заключение кратко коснемся возможной причины прецессии пульсаров. Если принять эту гипотезу, то пульсар представляет собой вращающееся тело переменной массы. Сложность его динамики обусловлена тем, что это изменение массы происходит несимметрично относительно оси вращения, что и вызывает прецессию.
Источник
Джет из чёрной дыры – уникальное космическое явление на месте галактического коллапса
НОВОСТИ КОСМОСА
Джет из чёрной дыры – уникальное космическое явление на месте галактического коллапса
Большую часть времени черная дыра проводят в покое – она находится в космическом пространстве и, выражаясь человеческим языком, «откровенно бездельничает». Все меняется с того момента, когда в гравитационное поле чёрной дыры попадает какой-либо объект. Конечно, шансов продолжить существование у «случайного гостя» практически нет, но сам процесс «кормления» чёрной дыры – удивительное явление.
Джет – прощание гибнущей звезды
Исход случайной встречи гигантского газового шара, который мы называем звездой, и чёрной дыры предсказуем. У светила, каким бы крупным и массивным оно ни оказалось, нет ни единого шанса – чёрная дыра поглотит его полностью. Объект распадается и теряет вещество постепенно, и на время вокруг непроницаемо-черной дыры создается аккреционный диск (яркое кольцевидное формирование, состоящее из нагретых до невероятных температур пылинок и облаков газа). Постепенно и он гаснет. Это означает конец существования звезды.
В большинстве случаев чёрная дыра просто разрывает встретившийся на ее пути космический объект и засасывает его, но иногда гибнущие звезды эффектно прощаются со Вселенной. Это происходит крайне редко, и ученые пока спорят о том, какими должны быть условия для формирования джета – именно так называют гигантскую плазменную струю, которая вырывается из центра чёрной дыры после поглощения звезды.
Причиной образования джетов считается взаимное воздействие аккреционного диска и магнтиного поля – при определенной комбинации условий плазменный поток «выстреливает» в космос со световой скоростью.
Джет «нашего времени»
Совсем недавно ученым удалось понаблюдать за формированием и расширением структуры джета практически в режиме «реального времени». Уникальное событие произошло в глубоком космосе, в 150 млн световых лет от нашей планеты, именно здесь столкнулись две галактики. В центре каждой из участниц «космического ДТП» есть сверхмассивная чёрная дыра (ориентировочная масса каждой составляет около 20 миллионов масс Солнца).
Обычно столкновение галактик проходит незамеченным для большинства объектов, входящих в их состав. Даже нашему Млечному Пути в далеком будущем предстоит столкнуться с соседствующей галактикой Андромеды, и ученые утверждают, что, если к моменту столкновения на Земле еще будет жизнь, то ей ничего не грозит – разве что ночное небо над головами потомков станет намного ярче.
Одной из небольших звезд Arp 299 (именно такое лаконичное название астрономы дали «месту происшествия») повезло намного меньше, чем миллионам ее «соседок» по галактике – она подошла слишком близко к сверхмассивной чёрной дыре.
Астрономы наблюдают за галактическим коллапсом уже довольно давно, а в январе 2005 года посредством Большого Канарского телескопа удалось зафиксировать аномальный выброс излучения в инфракрасном диапазоне. Спустя полгода аналогичное наблюдение было сделано с помощью радиоинтерферометра НРО США – и ученые поняли, что им выпала возможность пронаблюдать уникальное космическое явление.
Конечно, пронаблюдать явление в оптическом диапазоне невозможно – галактический коллапс происходит слишком далеко, кроме того, видимый свет блокируется газом, пылью, другими помехами.
Астрономы финского университета Турку говорят о том, что с течением времени растет яркость объекта в радиочастотном и инфракрасном диапазоне, тогда как о видимом и рентгеновском излучении такого сказать нельзя. Вероятно, плотные газопылевые скопления, встречающиеся на пути видимого и рентгеновского излучения, активно поглощают их и переводят в инфракрасный диапазон.
Наблюдения продолжались в штатном режиме, пока в 2015 году ученые не отметили, что материя в месте столкновения движется в одном направлении со значительной скоростью, близкой к световой – именно так ведет себя джет в теории.
Сейчас ведутся активные исследования и регистрируются все изменения в рассматриваемой области. Астрономам уже удалось получить ценную информацию о формировании и поведении релятивистских струй. Однако исследователи говорят о том, что полученные данные – только «вершина айсберга». Конечно, наблюдение за джетом с момента его зарождения позволило собрать уникальные сведения, однако вопросов о природе и происхождении таких явлений пока намного больше, чем ответов.
В частности, высказывается предположение, что релятивистские струи, считавшиеся явлением уникальным, на самом деле возникают во много раз чаще – просто мы не можем наблюдать их из-за большой удаленности и космических «помех». Если это так, и столкновение звезды с черной дырой с последующим выбросом джета – рядовое событие во Вселенной, возможно, риски для жизни в нашей галактике при грядущем столкновении с Андромедой сильно недооценены.
Прочитайте еще
SpaceX запустит следующий секретный X-37
ВВС США готовятся к очередному запуску секретного космоплана X-37B, который состоится в августе, но теперь его осуществит ракета Falcon-9. Впервые компания Илона Маск доставит X-37 на орбиту, что станет самым крупным испытанием для нее на предмет надежности своей техники. Это будет пятый полет Орбитального испытательного транспортного средства X-37. Но[…]
«Протон» успешно выводит рекордную полезную нагрузку
Спутник связи EchoStar, предназначенный для пользователей в Европе, был отправлен на орбиту российским РН «Протон-М» в четверг, 8 июня. Его развертывание на целевой орбите произошло после девятичасового маневрирования разгонного блока «Бриз-М». 58-метровый комплекс «Протон»/»Бриз-М» стартовал в 3:45 (Гринвич) с космодрома Байконур, направившись на восток через небольшую облачность. Старт произошел,[…]
Источник