Астрофизический джет
Астрофизическая струя — астрономическое явление, при котором потоки ионизированного вещества испускаются в виде протяженных лучей вдоль оси вращения . [1] Когда эта сильно ускоренная материя в луче приближается к скорости света , астрофизические джеты становятся релятивистскими, поскольку в них проявляются эффекты специальной теории относительности .
Формирование и питание астрофизических струй — это очень сложные явления, связанные со многими типами астрономических источников высоких энергий . Вероятно, они возникают в результате динамических взаимодействий внутри аккреционных дисков , активные процессы которых обычно связаны с компактными центральными объектами, такими как черные дыры , нейтронные звезды или пульсары . Одно из объяснений состоит в том, что запутанные магнитные поля организованы таким образом, чтобы направлять два диаметрально противоположных луча от центрального источника на углы шириной всего в несколько градусов (c. > 1%). [2] На струи также может влиять эффект общей теории относительности, известный как перетаскивание кадров . [3]
Большинство крупнейших и наиболее активных джетов создаются сверхмассивными черными дырами (СМЧД) в центрах активных галактик, таких как квазары и радиогалактики, или внутри скоплений галактик. [4] таких джетов может превышать миллионы парсеков . Длина [2] Другие астрономические объекты, содержащие джеты, включают катаклизмические переменные звезды , рентгеновские двойные системы и гамма-всплески (GRB). Джеты гораздо меньшего масштаба (около парсеков) можно обнаружить в областях звездообразования, включая звезды Т Тельца и объекты Хербига – Аро ; эти объекты частично образуются в результате взаимодействия джетов с межзвездной средой . Биполярные истечения также могут быть связаны с протозвездами . [5] или с эволюционировавшими звездами пост-AGB , планетарными туманностями и биполярными туманностями .
Релятивистские джеты
[ редактировать ]
Релятивистские джеты — это лучи ионизированного вещества, ускоряющиеся до скорости света. Большинство из них наблюдательно связано с центральными черными дырами некоторых активных галактик , радиогалактик или квазаров , а также с галактическими звездными черными дырами , нейтронными звездами или пульсарами . Длина луча может достигать нескольких тысяч, [6] сотни тысяч [7] или миллионы парсеков. [2] Скорости струй при приближении к скорости света демонстрируют значительные эффекты специальной теории относительности ; например, релятивистское излучение , которое меняет видимую яркость луча. [8]
Массивные центральные черные дыры в галактиках имеют самые мощные джеты, но их структура и поведение аналогичны структурам и поведению меньших галактических нейтронных звезд и черных дыр . Эти системы СМЧД часто называют микроквазарами и демонстрируют широкий диапазон скоростей. SS 433 Например, струя имеет среднюю скорость 0,26 c . [9] Формирование релятивистских джетов может также объяснить наблюдаемые гамма-всплески , в которых наиболее релятивистские джеты из известных являются ультрарелятивистскими . [10]
Механизмы, лежащие в основе состава струй, остаются неясными. [11] хотя некоторые исследования отдают предпочтение моделям, в которых струи состоят из электрически нейтральной смеси ядер , электронов и позитронов , в то время как другие согласуются с струями, состоящими из позитронно-электронной плазмы. [12] [13] [14] Ожидается, что следовые ядра, выброшенные в релятивистскую позитронно-электронную струю, будут иметь чрезвычайно высокую энергию, поскольку эти более тяжелые ядра должны достичь скорости, равной скорости позитрона и электрона.
Вращение как возможный источник энергии
[ редактировать ]Из-за огромного количества энергии, необходимой для запуска релятивистского джета, некоторые джеты, возможно, питаются вращающимися черными дырами . Однако частота появления высокоэнергетических астрофизических источников с джетами предполагает сочетание различных механизмов, косвенно отождествляемых с энергией внутри соответствующего аккреционного диска и рентгеновским излучением генерирующего источника. Две ранние теории использовались для объяснения того, как энергия может передаваться из черной дыры в астрофизическую струю:
- Процесс Бландфорда-Знаека . [15] Эта теория объясняет извлечение энергии из магнитных полей вокруг аккреционного диска, которые увлекаются и скручиваются вращением черной дыры. Релятивистский материал тогда вполне может быть запущен за счет ужесточения силовых линий.
- Механизм Пенроуза . [16] Здесь энергия извлекается из вращающейся черной дыры путем перетаскивания системы координат , что позже было теоретически доказано Ривой Кей Уильямс, способной извлекать энергию и импульс релятивистских частиц. [17] и впоследствии было показано, что это возможный механизм формирования струи. [18] Этот эффект включает в себя использование общего релятивистского гравитомагнетизма .
Релятивистские струи нейтронных звезд
[ редактировать ]
Джеты также можно наблюдать на вращающихся нейтронных звездах. Примером может служить пульсар IGR J11014-6103 , который имеет самую большую из наблюдаемых до сих пор реактивных струй в Млечном Пути , и скорость которого оценивается в 80% скорости света (0,8 с ). Были получены рентгеновские наблюдения, но ни радиосигнатуры, ни аккреционного диска не обнаружено. [19] [20] Первоначально предполагалось, что этот пульсар быстро вращается, но более поздние измерения показали, что скорость вращения составляет всего 15,9 Гц. [21] [22] Такая низкая скорость вращения и отсутствие аккреционного материала позволяют предположить, что эта струя не приводится в движение ни вращением, ни аккрецией, хотя кажется, что она выровнена по оси вращения пульсара и перпендикулярна истинному движению пульсара.
Другие изображения
[ редактировать ]
Иллюстрация динамики проплида , включая реактивный
Центавр А в рентгеновских лучах, показывающий релятивистскую струю
Реактивный самолет M87 виден очень большой антенной решеткой в радиочастотном диапазоне (поле обзора больше и повернуто относительно изображения выше).
Архив наследия Хаббла в ближнем УФ-диапазоне Изображение релятивистской струи в 3C 66B
Галактику NGC 3862 , внегалактическую струю материала, движущуюся почти со скоростью света, можно увидеть в положении «три часа».
Некоторые из струй в HH 24-26 , которые содержат самую высокую концентрацию джетов, известную где-либо в небе.
См. также
[ редактировать ]- Аккреционный диск
- Биполярный отток
- Процесс Бландфорда – Знаека
- Объект Хербига – Аро
- Процесс Пенроуза
- CGCG 049-033 , эллиптическая галактика, расположенная на расстоянии 600 миллионов световых лет от Земли, известная тем, что была обнаружена самая длинная галактическая струя.
- Гамма-всплеск
- Солнечная струя
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Билл, Дж. Х. (2015). «Обзор астрофизических джетов» (PDF) . Proceedings of Science : 58. Bibcode : 2015mbhe.confE..58B . дои : 10.22323/1.246.0058 . Проверено 19 февраля 2017 г.
- ^ Jump up to: а б с Кундт, В. (2014). «Единое описание всех астрофизических джетов» (PDF) . Proceedings of Science : 58. Bibcode : 2015mbhe.confE..58B . дои : 10.22323/1.246.0058 . Проверено 19 февраля 2017 г.
- ^ Миллер-Джонс, Джеймс (апрель 2019 г.). «Быстро меняющаяся ориентация струи в системе черных дыр звездной массы V404 Лебедя» (PDF) . Природа . 569 (7756): 374–377. arXiv : 1906.05400 . Бибкод : 2019Natur.569..374M . дои : 10.1038/s41586-019-1152-0 . ПМИД 31036949 . S2CID 139106116 .
- ^ Билл, Дж. Х. (2014). «Обзор астрофизических струй» . Труды Acta Polytechnica CTU . 1 (1): 259–264. Бибкод : 2014mbhe.conf..259B . дои : 10.14311/APP.2014.01.0259 .
- ^ «Звезда падает через обратный водоворот» . Астрономия.com . 27 декабря 2007 года . Проверено 26 мая 2015 г.
- ^ Биретта, Дж. (6 января 1999 г.). «Хаббл обнаружил в галактике M87 движение со скоростью, превышающей скорость света» .
- ^ «Доказательства существования сверхэнергетических частиц в струе из черной дыры» . Йельский университет – Управление по связям с общественностью. 20 июня 2006 г. Архивировано из оригинала 13 мая 2008 г.
- ^ Семенов В.; Дядечкин С.; Пансли, Б. (2004). «Моделирование струй, приводимых в движение вращением черной дыры» . Наука . 305 (5686): 978–980. arXiv : astro-ph/0408371 . Бибкод : 2004Sci...305..978S . дои : 10.1126/science.1100638 . ПМИД 15310894 . S2CID 1590734 .
- ^ Бланделл, Кэтрин (декабрь 2008 г.). «Скорость струи в SS 433: ее антикорреляция с углом прецессионного конуса и зависимость от фазы орбиты» . Астрофизический журнал . 622 (2): 129. arXiv : astro-ph/0410457 . дои : 10.1086/429663 . Проверено 15 января 2021 г.
- ^ Дерели-Беге, Хюсне; Пеер, Асаф; Райд, Феликс; Оутс, Саманта Р.; Чжан, Бин; Дайнотти, Мария Г. (24 сентября 2022 г.). «Ветровая обстановка и десятки факторов Лоренца объясняют гамма-всплески рентгеновского плато» . Природные коммуникации . 13 (1): 5611. arXiv : 2207.11066 . Бибкод : 2022NatCo..13.5611D . дои : 10.1038/s41467-022-32881-1 . ISSN 2041-1723 . ПМЦ 9509382 . ПМИД 36153328 .
- ^ Георганопулос, М.; Казанас, Д.; Перлман, Э.; Стекер, ФР (2005). «Объемная комптонизация космического микроволнового фона внегалактическими джетами как исследование их материального состава». Астрофизический журнал . 625 (2): 656–666. arXiv : astro-ph/0502201 . Бибкод : 2005ApJ...625..656G . дои : 10.1086/429558 . S2CID 39743397 .
- ^ Хиротани, К.; Игучи, С.; Кимура, М.; Ваджима, К. (2000). «Доминирование парной плазмы в релятивистской струе парсекового масштаба 3C 345». Астрофизический журнал . 545 (1): 100–106. arXiv : astro-ph/0005394 . Бибкод : 2000ApJ...545..100H . дои : 10.1086/317769 . S2CID 17274015 .
- ^ Электронно-позитронные джеты, связанные с квазаром 3C 279.
- ^ Найе, Р.; Гутро, Р. (9 января 2008 г.). «Огромное облако антивещества, обнаруженное в двойных звездах» . НАСА .
- ^ Блэндфорд, Р.Д.; Знаек, Р.Л. (1977). «Электромагнитное извлечение энергии из керровских черных дыр» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 179 (3): 433. arXiv : astro-ph/0506302 . Бибкод : 1977MNRAS.179..433B . дои : 10.1093/mnras/179.3.433 .
- ^ Пенроуз, Р. (1969). «Гравитационный коллапс: роль общей теории относительности». Ривиста дель Нуово Чименто . 1 : 252–276. Бибкод : 1969NCimR...1..252P . Перепечатано в: Пенроуз, Р. (2002). « Золотая старушка»: Гравитационный коллапс: роль общей теории относительности». Общая теория относительности и гравитация . 34 (7): 1141–1165. Бибкод : 2002GReGr..34.1141P . дои : 10.1023/А:1016578408204 . S2CID 117459073 .
- ^ Уильямс, РК (1995). «Извлечение рентгеновских лучей, Ύ-лучей и релятивистских e − и + пары из сверхмассивных черных дыр Керра с использованием механизма Пенроуза». Physical Review . 51 (10): 5387–5427. Bibcode : 1995PhRvD..51.5387W . doi : 10.1103/PhysRevD.51.5387 . PMID 10018300 .
- ^ Уильямс, РК (2004). «Коллимированные уходящие вихревые полярные струи e−e +, по своей природе создаваемые вращающимися черными дырами и процессами Пенроуза». Астрофизический журнал . 611 (2): 952–963. arXiv : astro-ph/0404135 . Бибкод : 2004ApJ...611..952W . дои : 10.1086/422304 . S2CID 1350543 .
- ^ «Чандра :: Фотоальбом :: IGR J11014-6103 :: 28 июня 2012 г.» .
- ^ Паван, Л.; и др. (2015). «Более детальный обзор оттоков IGR J11014-6103». Астрономия и астрофизика . 591 : А91. arXiv : 1511.01944 . Бибкод : 2016A&A...591A..91P . дои : 10.1051/0004-6361/201527703 . S2CID 59522014 .
- ^ Паван, Л.; и др. (2014). «Длинная спиральная струя туманности Маяк, IGR J11014-6103» (PDF) . Астрономия и астрофизика . 562 (562): А122. arXiv : 1309.6792 . Бибкод : 2014A&A...562A.122P . дои : 10.1051/0004-6361/201322588 . S2CID 118845324 . Длинная спиральная струя туманности Маяк стр. 7
- ^ Халперн, JP; и др. (2014). «Открытие рентгеновских пульсаций от источника INTEGRAL IGR J11014-6103». Астрофизический журнал . 795 (2): Л27. arXiv : 1410.2332 . Бибкод : 2014ApJ...795L..27H . дои : 10.1088/2041-8205/795/2/L27 . S2CID 118637856 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- НАСА – Спросите астрофизика: биполярные струи черных дыр
- SPACE.com – Извращенная физика: как извергаются черные дыры
- Бландфорд, Роджер; Агол, Эрик; Бродерик, Эйвери; Привет, Джереми; Купманс, Леон; Ли, Хи-Вон (2001). «Компактные объекты и аккреционные диски». arXiv : astro-ph/0107228v1 .
- Видео Хаббла показывает ударное столкновение внутри струи черной дыры ( статья )