Международной команде астрономов, в которую входили и российские учёные, удалось в небывалых деталях пронаблюдать процесс выброса вещества из сверхмассивной чёрной дыры в центре далёкой галактики. Теперь они знают, как возникают огромные космические струи, вещество в которых подчас ускоряется до скорости лишь немногим меньше скорости света. Работа учёных опубликована в последнем выпуске Nature.
Представлять себе чёрную дыру как объект, который бесконечно засасывает в себя окружающее вещество, не выпуская ничего наружу, не совсем правильно. В конце концов, если бы они ничего не выпускали наружу, мы о них никогда бы и не узнали. Притяжение чёрных дыр настолько сильно, что в сферу их влияния часто попадает больше материи, чем они в реальности способны поглотить. Как показывают наблюдения, избыток выбрасывается из чёрных дыр в виде пары узких, направленных в противоположные от чёрной дыры стороны струй, которые русские астрономы на английский манер называют джетами.
Вообще, джеты – явление довольно универсальное, но чаще всего встречается именно при падении вещества на какой-то центральный объект. Это не обязательно должна быть чёрная дыра. В качестве притягивающего центра могут выступать и другие объекты – например, очень плотные нейтронные звёзды или даже протозвёзды – «эмбрионы» обычных звёзд, в них вещество, которому предстоит в дальнейшем стать частью звезды, долго собирается из межзвёздных облаков, оседая на поверхность образующегося светила.
Накануне в Стокгольме прошла церемония награждения премией имени Крафоорда Шведской академии наук. В присутствии шведского короля Карла XVI Густава премии получили три человека - двое россиян, француз и американец. Лауреаты премии были объявлены в январе.
Половину премии, составляющей $500 тысяч, получил академик РАН Рашид Алиевич Сюняев, работающий в Институте космических исследования (ИКИ) РАН и Институте астрофизики имени Макса Планка в Германии. Он удостоен премии «за его решающий вклад в астрофизику высоких энергий и космологию, в частности - (понимание) процессов и динамики в окрестности чёрных дыр и нейтронных звёзд и демонстрацию диагностической силы структур в фоновом излучении».
Вторую половину премии разделили принстонский профессор, гражданин США Эд Виттен и профессор Института высших научных исследований под Парижем Максим Львович Концевич, имеющий российское и французское гражданства. Они удостоены премии «за их важный вклад в математику, вдохновлённый современной теоретической физикой».
Премия Крафоорда вручается Шведской королевской академией наук с 1982 года, одним из двух лауреатов первой премии был другой великий русский математик Владимир Игоревич Арнольд. Премия вручается каждый год в одной из четырёх областей: математика и астрономия, науки о Земле и науки о жизни с особым вниманием к исследованиям по экологии и ревматоидному артриту. Размер премии составляет $500 тысяч, она предназначена для того, чтобы дать возможность лауреатам спокойно продолжать свои исследования. В разное время лауреатами премии были Лайман Спитцер, Пол (Ральф) Эрлих, Ален Конн и Мартин Рис. До сих пор премию ни разу не получали женщины.
Основные работы 64-летнего академика Сюняева, родившегося в Ташкенте, посвящены теоретической астрофизике и астрофизике высоких энергий, он много занимался работами по созданию и запуску космических обсерваторий и обработке полученных ими данных. Работа Николая Ивановича Шакуры и Сюняева по теории дисковой аккреции, вот уже более 35 лет остаётся одной из самых цитируемых в астрофизике. Другой знаменитый эффект, который носит имя российского учёного - эффект Сюняева-Зельдовича - позволяет исследовать массивные объекты в далёкой Вселенной (например, скопления галактик) по характерным искажениям, которые они вносят в спектр космического микроволнового фонового (реликтового) излучения.
43-летний профессор Концевич - сын знаменитого востоковеда, автора системы кириллической транскрипции корейского языка Льва Концевича - родился в подмосковных Химках. Он закончил Механико-математический факультет Московского университета и защитил кандидатскую степень в Бонне. Его основные работы связаны с теорией узлов и её связи с теорией суперструн. Доказал гипотезу другого лауреата премии, Эда Виттена о математичекой эквивалентности двух формулировок квантовой гравитации. Концевич - один из немногих математиков, чьё имя носит один из видов интегрирования. Интеграл Концевича, равно как и интегралы Лебега, Римана, Гаусса, Фейнмана или Ито - один из самых востребованных инструментов современной теоретической физики.
И Сюняев, и Концевич уже удостаивались престижнейших наград. В частности, Рашид Алиевич Сюняев является лауретом премии Грубера 2003 года за его вклад в развитие космологии, а Максим Львович Концевич - лауретом Филдсовской медали 1998 года, как раз за доказательство гипотезы Виттена.
Поскольку внешние слои диска давят на внутренние, то излишки могут выбрасываться только над и под диском – вот вам, казалось бы, и два джета.
Удивительно другое – что струи оказываются настолько узкими, а вещество в них движется с огромными скоростями.
В конце 1970-х годов британский астрофизик Роджер Блендфорд и его аспирант Роман Знаек предложили первый хорошо проработанный механизм образования быстрых и узких струй. Согласно их модели, «костью в горле» чёрной дыры встаёт магнитное поле. В горячей плазме, в которую превращается при приближении к чёрной дыре газ, электромагнитные и механические свойства вещества перемешиваются, поскольку и те, и другие определяются движением заряженных частиц (в обычном веществе переносчики заряда составляют лишь ничтожную его часть). В результате магнитные силовые линии оказываются «вморожены» в вещество и, будучи вдали от чёрной дыры ориентированы случайным образом, с его закручиванием вокруг чёрной дыры заплетаются в своего рода жгуты, у которых появляется выделенное направление – по оси вращения.
Кроме того, вблизи вращающихся чёрных дыр работает и ещё один механизм – здесь кручение чёрной дыры увлекает за собой само пространство, а с ним – и вещество, и магнитное поле. Вдоль этого направления и устремляется вещество, выбрасываемое от поверхности чёрной дыры. Причины таких выбросов могут быть различны. Например, сильное, меняющееся магнитное поле может – как в турбине электростанции – рождать мощнейшие электрические разряды, которые рвут и перезамыкают магнитные линии и ускоряют заряженные частицы. Вращающееся, закрученное магнитное поле ещё больше разгоняет их. По дороге заряженные частицы взаимодействуют друг с другом, излучают свет, врезаются в нейтральное вещество. В результате образуются джеты.
Блендфорд и Знаек описали лишь самый общий механизм, однако за прошедшие 30 лет другие теоретики значительно улучшили и усложнили эту модель, объяснив многие остававшиеся за её рамками вопросы. Кроме того, появились и альтернативные модели образования джетов, однако надёжных наблюдательных данных, способных определить, какая модель работает на самом деле, до сих пор не было.
Группе учёных из США, России, Великобритании, Финляндии, Италии и Грузии удалось получить доказательства, что работает именно механизм Блендфорда--Знаека.
Точнее, той его модификации, что была предложена недавно греческим астрофизиком Нектариосом Влахакисом и его американским коллегой Ари Кёниглом.
Астрономы под руководством Алана Маршера из Бостонского университета создали целую «сеть» для наблюдения за сверхмассивными чёрными дырами, расположенными в центрах далёких галактик. Аккреция вещества на них провоцирует явление активного галактического ядра, самые яркие из которых называют квазарами. Чтобы выяснить мельчайшие подробности движения вещества в джете потребовалось почти каждую ночь следить за блеском, внешним видом и поляризацией излучения объектов с помощью целой батареи оптических и радиотелескопов; в космосе им помогали орбитальные телескопы, работающие в рентгеновском и гамма-диапазоне.
Из-за очень высоких скоростей вещества в джетах (около 98–99% скорости света) их излучение оказывается сконцентрировано в узком конусе диаметром несколько градусов. Учёные сосредоточились на особо ярком типе квазаров, в конус излучения которых попадает Земля. Их называют блазарами или лацертидами, по имени первого объекта такого рода, обнаруженного в прошлом веке, – «переменной звезды» BL Lacertae, или BL северного созвездия Ящерицы, оказавшейся на поверку ядром галактики, находящейся почти в миллиарде световых лет от нашей звёздной системы.
Собственно, с прототипом всех подобных объектов – самим BL Lac – учёным и повезло. На синтетических радиоизображениях, построенных синхронизированными радиотелескопами, находящимися в разных уголках земного шара, на месте этой «звезды» виден отходящий к югу от ядра галактики джет длиной около тысячной доли угловой секунды, на котором заметно более или менее стационарное яркое пятно. В ядре расположена чёрная дыра массой около 200 миллионов солнц. Собственно, самого галактического ядра как некоего яркого выделяющегося объекта не видно – в отличие от джета, оно излучает не только в нашу, но и во все остальные стороны. Второй джет, скорее всего, также присутствует, но увидеть его тоже не удаётся: конус излучения направлен в противоположном нам направлении.
Иллюзия сверхсветовых скоростей возникает, если выброс из ядра квазара движется с большой скоростью под углом, близким к направлению на наблюдателя, а последний может измерять лишь смещение в тангенциальном (перпендикулярном лучу зрения) направлении.
Скорость есть отношение пройденного расстояния ко времени. В данном случае расстояние – это просто разница двух тангенциальных координат. А время – это промежуток между временем прихода световых импульсов от точек в начале и в конце пути, а не их испускания. Поскольку второй импульс испускается ближе к наблюдателю, он проходит меньшее расстояние, чем первый. Можно подсчитать, что кажущаяся скорость βилл (в единицах скорости света) связана с истинной β и углом θ между направлением скорости и лучом зрения формулой:
βилл=β sinθ/(1-β cosθ)
Подобное событие произошло в конце октября 2005 года. Блеск блазара в оптическом диапазоне вырос почти в три раза, а спустя чуть больше месяца – в декабре – произошла вторая вспышка. Измерения блеска вели сразу пять оптических обсерваторий в Европе, Азии и США. Тем временем радиоастрономы, используя сеть Национальной радиоастрономической обсерватории США, проследили распространение яркого пятна по джету. Измерения потока рентгеновских лучей и ещё более энергичных гамма-квантов тем временем позволили оценить энергии, до которых были ускорены частицы в распространявшемся вдоль джета облаке.
Наблюдения показали, что в обоих случаях блеск менялся из-за увеличения яркости движущегося вдоль джета выброса. Более того, появилось оно ещё до того, как произошла первая вспышка.
Именно две вспышки и предсказывает модель, основанная на ускорении вещества закрученным магнитным полем.
Вторая вспышка происходит при пересечении выбросом стационарной ударной волны, которую мы видим как неизменное яркое пятно. Она возникает при взаимодействии ускоренного в джете вещества с окружающим газом, сжимая и то, и другое. Сравнение оптических и радионаблюдений показало, что блеск вырос именно тогда, когда выброс пересекал пятно на джете, и был сжат ударной волной.
skin: article/incut(default)
data:
{
"_essence": "test",
"incutNum": 3,
"picsrc": "Модель ускорения и коллимирования джета // Wolfgang Steffen/«Газета.Ru»",
"repl": "<3>:{{incut3()}}",
"uid": "_uid_2705798_i_3"
}
Возникновение первой вспышки ещё интереснее. Выброс движется с огромной скоростью, близкой к скорости света, которая к тому же постоянно растёт. Из-за этого конус, в котором сосредоточено его излучение, постоянно сужается, а его яркость – растёт. Однако до поры до времени этот фонарик светит не прямо на нас, а в сторону, поскольку вещество движется вдоль стенки «сопла», которое образуют скрученные силовые линии. Однако рано или поздно магнитные силовые линии «растворяются» в хаотичном магнитном поле газа, окружающего сопло. В этот момент выброс оказывается свободным, и «фонарик» смотрит прямо на нас – мы видим вспышку.
Но это объяснение – в рамках данной модели, и использовать его для её обоснования сомнительно. Мало ли от чего произошла вспышка. Рисунок, приведённый выше (а есть и видеоролик (90МБ) и даже песня – осторожно, весьма двусмысленная), остаётся рисунком, астрономы пока не научились видеть далёкие объекты в таких деталях. Теория стала бы гораздо убедительней, если бы ориентацию направления излучения «фонарика» и магнитного поля можно было бы действительно измерить.
И вот здесь в работе очень пригодились данные, полученные российскими астрономами.
Они измерили направление плоскости поляризации оптического излучения – направление, в котором колеблется электрический вектор световой волны, приходящей от блазара.
Как рассказал «Газете.Ru» Владимир Александрович Гаген-Торн из Астрономического института Петербуржского университета, данные о поляризации, полученные им и его коллегами на телескопе АЗТ-8 Крымской астрофизической обсерватории, а также наблюдения на телескопе имени Койпера Стюардовской обсерватории в Аризоне позволили проследить, как изгибалась траектория движения выброса со временем.
Как оказалось, двигаясь от начала «магнитного сопла» к его концу, вещество совершило полтора оборота вдоль его стенки. Как и предсказывает теория, угол закрутки его траектории существенно меньше угла закрутки магнитных силовых линий – «шаг винта», по которому двигалось вещество, значительно шире, чем шаг закрученных линий магнитного поля. Эти данные позволяют рассчитать, как изменялось движение вещества со временем, и результаты подсчёта отлично сошлись с наблюдениями. Поляризационные данные также позволили примерно оценить размер выброса.
«Мы лишь дали фотометрию (измерение блеска – «Газета.Ru») и поляриметрию», — скромно заметил Гаген-Торн, являющийся соавтором работы.
Но именно эти данные позволили узнать, как именно двигалось вещество в джете, и удостовериться, что мы правильно понимаем механизм его ускорения.
Впрочем, учёные осторожны в своих выводах. Пока неизвестно, насколько применима эта модель к струям, бьющим из окрестностей других сверхмассивных чёрных дыр, и уж тем более – к джетам протозвёзд. По словам астронома, пока получить такие чёткие данные для других объектов не получается, хотя учёные продолжают свои измерения. Но это и не удивительно. Данная работа – пионерская. «Если бы подобных данных было много, не было бы статьи в Nature», – заключил Гаген-Торн.
