Релятивистские джеты чёрных дыр: что это такое и почему они важны для понимания космоса?

19 июля 2021 года журнал Nature Astronomy опубликовал статью о наблюдении релятивистского джета у галактики Центавр А с самым высоким пространственным разрешением на настоящее время (для данных объектов).

Статья размещена в открытом доступе на сайте журнала.

Вместе с кандидатом физико-математических наук, старшим научным сотрудником сектора плазменной астрофизики Сергеем Корягиным мы узнаем, что такое джеты, как их исследуют и почему это важно для современной астрономии.

Джет — мощная струя плазмы, в которой частицы движутся со скоростью, близкой к скорости света. Поэтому его и называют релятивистским. Джеты обнаружены у чёрных дыр (расположенных в ядрах активных галактик), а также у нейтронных звёзд и протозвёзд. Эти системы выбрасывают пару струй вдоль оси своего вращения в противоположные стороны. Джет формируется около центрального объекта (например, чёрной дыры), где падающее вещество в аккреционном диске перераспределяет внутри себя набранную кинетическую энергию.

Небольшая часть вещества приобретает скорость выше второй космической и преодолевает тяготение центрального тела, тогда как основная масса падает на центральный объект. Согласно обсуждаемым наблюдениям, джет соприкасается с окружающим его менее скоростным ветром, исходящим от аккреционного диска. "Трение" джета об окружающий ветер трансформирует энергию "неизлучающего" движения частиц вдоль магнитного поля в "тепловую" энергию (циклотронного вращения), которая и высвечивается как синхротронное излучение в радиодиапазоне.

Галактика Центавр А — ближайшая к нам радиогалактика. По иронии, её название очень похоже на ближайшую к нам звёздную систему Альфа Центавра, но это разные объекты.

Первое наблюдение джета связано с американским астрономом Гебером Кертисом. В 1918 году он указал на "странный прямой луч" на изображении галактики M 87 (в созвездии Девы), которая расположена в центре ближайшего к нам крупного скопления галактик.

См. "Великий спор" между Харлоу Шепли и Гебером Куртисом в начале 1920-х, который был разрешён наблюдениями Эдвина Хаббла в 1924 году.

За прошедшее столетие астрономические наблюдения вышли из "узкого" оптического интервала длин волн и захватили электромагнитный спектр от радио до гамма-диапазонов. Специфическая техника радионаблюдений позволила использовать отдельные телескопы как кусочки более крупной "параболической тарелки", диаметр которой равен расстоянию между телескопами. Такую методику называют радиоинтерферометрией со сверхдлинной базой (РСДБ). РСДБ-система ненамного более чувствительна к потоку излучения, чем отдельные входящие в неё телескопы. Её ключевое преимущество — повышенное угловое разрешение.

Последнее зависит от того, насколько диаметр «составной тарелки» превышает диаметр отдельного телескопа. Минимальный угловой размер элемента, который можно различить, определён по порядку величины критерием Рэлея: примерно равен (в радианах) отношению длины волны наблюдаемого излучения к расстоянию между телескопами — базе.

Угловое разрешение удаётся повысить двумя способами:

а) увеличением расстояния между элементами интерферометрической системы;

б) уменьшением длины волны принимаемого излучения.

Наибольшая база между антеннами реализована в российском космическом проекте "Радиоастрон", который проработал 8 лет с 2011 по 2019 годы. Космическая антенна диаметром 10 м в апогее своей орбиты уходила от Земли почти до Луны — на расстояние свыше 300 тыс. км. "Радиоастрон" работал в "классическом" для радиоастрономии диапазоне от 0,3 ГГц до 22 ГГц (длина волны от 1,35 см до 90 см). В итоге космический проект установил мировой рекорд углового разрешения 8 микросекунд дуги при наблюдении яркого источника — водяного мегамазера в галактике M 106 на частоте 1,3 ГГц.

Проект "Телескоп горизонта событий" (Event Horizon Telescope, EHT) развивает альтернативный подход к повышению углового разрешения — за счёт уменьшения длины волны принимаемого излучения (при использовании только наземных инструментов без спутниковых элементов).

"Телескоп горизонта событий" регистрирует излучение с частотой 230–450 ГГц, что примерно в 10–20 раз выше частоты приёма "классических" интерферометрических систем. База проекта ограничена сверху диаметром Земли. В итоге предельное угловое разрешение составляет около 25 микросекунд дуги.

Непосредственная окрестность чёрной дыры преимущественно излучает на более высоких частотах, чем уходящие от неё джеты. Поэтому достаточно высокая частота регистрируемого "Телескопом горизонта событий" излучения позволила решить основную задачу проекта — рассмотреть горизонт событий сверхмассивной чёрной дыры в галактике M 87.

Менее массивные чёрные дыры излучают на более высоких частотах. Поэтому у менее крупной галактики Центавр A "Телескопу горизонта событий" удалось рассмотреть только джеты. По оценкам авторов, для "фотографирования" горизонта событий чёрной дыры в галактике Центавр A необходимо перейти в терагерцовый диапазон.

Таким образом, обсуждаемый результат "Телескопа горизонта событий" о джете радиогалактики Центавр A заполняет общую картину о пространственной структуре релятивистской струи на расстоянии порядка сотни радиусов горизонта событий центральной чёрной дыры. Повышенная яркость излучения на цилиндрической стенке джета прослеживается как для галактик со сверхмассивной чёрной дырой в центре — порядка миллиарда масс Солнца, — так и для менее массивных объектов — порядка сотни миллионов масс Солнца.

Расслоение плазменного потока на неоднородные структуры, как в случае с чёрной дырой, — достаточно распространённое явление. Так, в недавнем эксперименте в Институте прикладной физики оптическое излучение сверхзвукового (нерелятивистского) потока плазмы (типа "джета" в магнитной арке) оказалось сосредоточенным на его цилиндрической поверхности. Такое расслоение может указывать на вейбелевскую неустойчивость, которую рассматривают как один из механизмов генерации магнитного поля в космической плазме.

См. рис. 3а в статье М. Е. Викторов, С. В. Голубев, А. В. Водопьянов "Динамика взаимодействия сверхзвукового потока плазмы с магнитной аркой" в журнале Journal of Plasma Physics and Controlled Fusion (2019).