ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУЙНЫХ ВЫБРОСОВ АКТИВНЫХ ГАЛАКТИЧЕСКИХ ЯДЕР И ЧЕРНЫХ ДЫР. ЧАСТЬ 1

В первой части сообщения блога приведены результаты наблюдений струйных выбросов активных галактических ядер и черных дыр. Рассмотрен механизм формирования струйных выбросов на основе концепции, которая изложена в блоге «Струйные выбросы астрономических объектов».

На вставке показан Квазар 3C 278 (иллюстрация ESO / M. Kornmesser).

Результаты наблюдений

Активные галактические ядра – квазары и блазары являются самыми яркими объектами во Вселенной —   мощность их излучения иногда в десятки и сотни раз превышает суммарную мощность всех звёзд таких галактик, как наша. Высокую светимость квазаров и блазаров создают узконаправленные выбросы электромагнитного излучения и вещества – в виде джетов. Менее известны экваториальные выбросы. Эти выбросы сложно наблюдать. В тоже время эти выбросы, по-видимому, играют большую роль в формировании галактик.

В настоящее время принято считать, что в активных галактических ядрах расположены черные дыры. Предполагают, что галактические ядра, в виде черных дыр, есть практически у всех галактик. Поэтому струйные выбросы будут рассматриваться исходя из этих предположений.

На иллюстрации показан джет радиогалактики Геркулес (3C 348).

Рис.1 

Изображение получено с помощью двух современных астрономических инструментов: широкоугольной камеры Wide Field Camera 3 космического телескопа «Хаббл» НАСА и радиотелескопа Very Large Array (VLA). Компактный источник джета радиогалактики совпадает с галактическим ядром в центре галактики. Галактика видна в виде красной точки в центре. Незначительная часть радиоизлучения происходит непосредственно от хорошо сфокусированных струй. Эти струи вблизи галактики практически незаметны. Основная часть излучения идет от широких лепестков (коконов). Галактика примерно в 1000 раз массивнее, чем наш Млечный путь и питает черную дыру в 2,5 миллиарда солнечных масс. 3C 348 известна как один самых ярких внегалактических радио-источников во всем небе.   R. Perley and W. Cotton (NRAO/AUI/NSF)) http://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=3094 http://www.sciencedaily.com/releases/2012/11/121129092958.htm

Характерной чертой активного галактического ядра является джет, например, такой, как на верхней иллюстрации. Ниже приведены результаты наблюдений струйных выбросов, имеющих, в отличие от узкого джета, другую структуру. Наблюдения свидетельствуют, что в ряде галактик существуют экваториальные выбросы вещества.

Материя покидает галактику М 82 (она же «Сигара») в составе экстремально мощного звёздного ветра со скоростями до 2 500 км/с. (Иллюстрация Smithsonian Institution / Chandra X-ray Observatory.) http://science.compulenta.ru/702638/ http://ucsdnews.ucsd.edu/pressreleases/intense_bursts_of_star_formation_drive_fierce_galactic_winds#.UDRlhWy0OSp

Рис. 2

Галактики, в которых наблюдаются галактические ветры такой интенсивности, отстоят от нас на несколько миллиардов световых лет. Такие галактики очень молоды и в них наблюдается интенсивное звездообразование.

На иллюстрации видно, что образующая распространения струй материи, которые выделены красным цветом, удивительно точно напоминает форму песочных часов. При этом также явно виден центральный лепесток экваториального выброса.

Еще одна интересная иллюстрация, предположительно, экваториальных выбросов галактической черной дыры.

Рис. 3 

В центре галактики NGC 3079 образовался пузырь шириной 3000 световых лет и поднявшийся над галактикой на 3500 световых лет. Предполагают, что пузырь образовался 10 млн. лет назад. http://en.wikipedia.org/wiki/NGC_3079 Изображение получено на основе фотографий, выполненных космическим телескопом «Хаббл», НАСА.

Как показано на следующей иллюстрации, сверхмассивные чёрные дыры в активных галактиках способны производить узкие адронные струи (оранжевые) и более широкие газовые течения (сине-серые), которые получили название ультрабыстрых исходящих потоков (ultra-fast outflows). Последние достаточно мощны, чтобы управлять звездообразованием и влиять на рост чёрной дыры. Вкладка: чёрная дыра и её аккреционный диск. (Изображение ESA / AOES Medialab.) http://science.compulenta.ru/663937/ http://www.nasa.gov/topics/universe/features/fast-outflow.html

Струйные выбросы ultra-fast outflows (UFO) сверхмассивной черной дыры в представлении художника.

Рис. 4 

В целом, результаты наблюдений указывают на наличие чрезвычайно ионизированного вещества выходящего со скоростью более 10000 км/сек из самых внутренних областей активных ядер галактик. http://m.iopscience.iop.org/0004-637X/742/1/44/pdf/0004-637X_742_1_44.pdf

Анализ данных, полученных американской рентгеновской космической обсерваторией «Чандра», позволил обнаружить самый быстрый «ветер», дующий с диска, который окружает чёрную дыру звёздной массы IGR J17091-3624. http://science.compulenta.ru/663009/

Двойная система IGR J1709-3624 в представлении художника (изображение NASA / CXC / M. Weiss)                                          Рис. 5 

Одновременные наблюдения, проведённые с помощью «Увеличенной очень большой антенной системы» (Expanded Very Large Array) Национальной радиоастрономической обсерватории США, показали, что при регистрации сверхбыстрого ветра релятивистской струи нет, хотя она видна в другое время. Это согласуется с наблюдениями других чёрных дыр звёздных масс, которые говорят о том, что ветры подавляют джеты.

Судя по всему, четыре предыдущие иллюстрации струйных выбросов - галактики М 82, NGC 3079, выбросов UFOи выбросов IGR J17091-3624, суть изображения одного и того же явления - экваториальных струйных выбросов черных дыр. Реальная геометрия выбросов вероятнее всего ближе к изображению струйных выбросов галактик М 82 и NGC 3079, поскольку там отсутствует субъективное восприятие художника.

Существуют наблюдения, которые свидетельствуют об обратных течениях вещества в сторону черной дыры.

Когда астрономы сложили весь газ и пыль, содержащуюся в обычных галактиках (как и наш Млечный Путь), они нашли несоответствие - большой недостаток вещества для формирования звезд. Для частичного решения вопроса был предложен механизм циркуляции вещества в межгалактических масштабах. В нашей локальной галактической окрестности, следы этого механизма теперь исследуется. Исследователи группы во главе с Кейт Рубин из Института Макса Планка по астрономии получили первое прямое доказательство течения газа обратно в далеких галактиках, в которых активно формируются новые звезды. http://www.mpia.de/Public/menu_q2e.php?Aktuelles/PR/2012/PR120314/PR_120314_en.html

Основным отличительным признаком гипотезы струйных выбросов является конфигурация магнитного поля у обозначенных выше объектов. Магнитное поле, согласно гипотезы, должно быть квадрупольным. Тогда как в классических теориях у астрономических объектов в основном рассматриваются только полиодальные поля. Конфигурации этих полей легко отличить друг от друга. Ниже приведены данные наблюдений магнитных полей галактик. При этом предполагается, что форма магнитного поля в центральной области галактики обусловлена магнитным полем галактического ядра – черной дыры.

На иллюстрации показано оптическое изображение в линии Hα спиральной галактики NGC 5775, которая видна с ребра, с наложением контуров интенсивности общего радиоизлучения на длине волны 6 см и векторов поляризации, наблюдаемых с радиотелескопа VLA. Силовые магнитные линии параллельны диску вблизи плоскости, но повернуты вертикально сверху и снизу диска. (Краков обсерватория)  

Рис. 6 

 Рис. 7 

Другие иллюстрации магнитных полей галактик, а также описание этих полей можно посмотреть здесь http://cosmo.nyu.edu/~rj486/external_galaxies.html и здесь http://www.scholarpedia.org/article/Galactic_magnetic_fields .

Очень интересно проанализировать структуру магнитного поля нашей галактики Млечный Путь. Международная группа астрофизиков обработала накопленные за последние годы данные наблюдений эффекта Фарадея и опубликовала карту магнитного поля Млечного Пути. http://science.compulenta.ru/649898/   http://arxiv.org/pdf/1111.6186v1.pdf

Реконструкция «Фарадеевской глубины» выраженная в рад/м² (иллюстрация из журнала Astronomy & Astrophysics).

                                                                   Рис. 8 

«Фарадеевская глубина» – величина рассчитанная через интеграл вдоль оси луча зрения от произведения концентрации электронов на компоненту магнитного поля вдоль оси луча зрения с пределами от точки на границе галактики до наблюдателя. Угол поворота плоскости поляризации света от удаленного источника пропорционален глубине, умноженной на квадрат длины волны. Наблюдения поляризованного излучения удаленного источника на нескольких длинах позволяют оценить вращение, обусловленное эффектом Фарадея и, соответственно, оценить интегральный вектор магнитного поля, направленный по лучу зрения.

На карте показаны величины магнитного поля вдоль луча зрения с точки зрения наблюдателя, находящегося на Земле, с отображением результатов в проекции Mollweide. Желтым и коричневым цветом обозначено преобладание векторов магнитного поля, которые направлены в сторону наблюдателя. Голубым и синим цветом - от наблюдателя.

Карта «Фарадеевской глубины» не дает полного представления о геометрии магнитного поля галактики. Для того чтобы картина была более полной, необходимы данные о направлениях силовых магнитных линий не только вдоль но и перпендикулярно лучу зрения. Такие данные можно получить, наблюдая источники поляризованного излучения, например, пульсары или поляризацию света частичками пыли.

На следующей иллюстрации показаны перпендикулярные направлению луча зрения компоненты магнитных силовых линий, как они видны с Земли, полученные от источников синхротронного излучения.

 Рис. 9 

Цвет на карте отражает интенсивность поляризованного синхротронного излучения. Карта показана в Mollweide проекции с галактической долготой 0^О в центре и на повышение влево. Текстуры показывают прогнозы направлений магнитного поля (т.е., наблюдаемая поляризация с разворотом углов поляризации на 90^O). Изображение создано с использованием алгоритма «АЛИСА», написанного Дэвидом Ларсон. http://cosmo.nyu.edu/~rj486/files/RJansson_PhD_thesis.pdf

В дополнение к структуре магнитного поля нашей галактики представляет интерес структура области высокоэнергичного гамма излучения, обнаруженного космическим телескопом «Ферми» - так называемые «пузыри Ферми». Общепринято, что пузыри своим существованием обязаны черной дыре в центре нашей галактики.

  Рис.

10 

Что примечательно, в области гамма излучения зафиксированы эмиссионные линии аннигиляции электронов и позитронов, источником которых могут быть струйные выбросы черной дыры «Стрелец А*».

Результаты наблюдений находят объяснение в гипотезе, которая описана ниже.

Гипотеза формирования струйных выбросов активных галактических ядер и черных дыр

Гипотеза формирования струйных выбросов активных галактических ядер и черных дыр основана на наличии в ближайшем окружении черной дыры симметричного циркуляционного потока.

Циркуляционный поток

Простейший симметричный циркуляционный поток выглядит в виде двух торов, расположенных друг над другом, поверхности которых вращаются навстречу друг другу относительно оси образующих торы окружностей. Иллюстрация циркуляционного потока приведена на рис. 11.

                                                Рис. 11    

Торы показаны в сечении, проходящем через ось магнитного полюса N- N. В верхней части рисунка расположен верхний тор, в нижней части - нижний тор. Форма торов деформирована гравитационным полем черной дыры. На рисунке обозначены области сечения циркуляционного потока. Область сечения верхнего тора слева обозначена цифрой 1, область сечения этого тора справа - цифрой 2, область нижнего тора справа - цифрой 3 и область сечения нижнего тора слева - цифрой 4. Каждая из обозначенных областей условно разделена на верхнюю часть, которая дальше от черной дыры и нижнюю часть, которая ближе к горизонту событий черной дыры. В центре между торами расположена область горизонта событий черной дыры. Стрелочками на замкнутых круговых линиях в областях сечений торов обозначено направление циркуляции вещества. Вещество торов частично или полностью ионизировано и в основном состоит из плазмы. В виде оранжевых кружков с крестиками показано направление электрического тока в плазме от наблюдателя. Кружками с точками – электрический ток, текущий к наблюдателю. Голубым цветом выделены магнитные силовые линии, связанные с электрическим током. Дополнительно, показан поток вещества аккреционного диска во взаимодействии с циркуляционным потоком и джет.

В отличие от звезды, циркуляционный поток черной дыры не может опираться на плотное ядро, т.к. у черной дыры нет дна. Более того, данный циркуляционный поток не имеет суммарного момента вращения, поэтому у него нет центробежных сил, как у классического аккреционного диска, которые сдерживали бы поток от падения в черную дыру. Тем не менее, как показано ниже, данный циркуляционный поток может эффективно противостоять гравитации. Причем, поток может противостоять гравитации даже в области вблизи горизонта событий дыры, где не существует устойчивых орбит, и все тела неизбежно падают в черную дыру (если, конечно, не учитывать электромагнитные силы).

Силы в циркуляционном потоке, противостоящие гравитации черной дыры

Основная часть циркуляционного потока находится на некотором удалении от черной дыры, где существуют стационарные орбиты вращающихся вокруг черной дыры тел. В этой области непосредственно расположены верхние части торов циркуляционного потока. Пространство в этой области слабо деформировано гравитацией, поэтому геометрия пространства приближена к эвклидовой. В связи с чем, допустимо провести анализ основных сил, действующих на вещество потока, в верхних частях торов, как показано на рис. 11, в сечении циркуляционного потока плоскостью.

На рис. 11 в центре верхней части области 1 показаны векторы сил. Тор в целом можно рассматривать как «толстый» кольцеобразный проводник с током. Приложенная к центру верхней части области 1 тора сила F₁₄   - это сила Ампера, которая действует на проводник с электрическим током и связанное с этим током вещество. Сила отталкивает область 1 верхнего тора от области 4 нижнего тора, т.к. электрические токи в областях 1 и 4 направлены в противоположные стороны. Сила F₁₂ отталкивает область 1 верхнего тора от области 2 этого же тора в связи с разными направлениями электрического тока в этих областях. F₁₃ - это сила притяжения области 1 верхнего тора к области 3 нижнего тора. По всей видимости, сила F₁₃ не является существенной, поскольку магнитные силовые линии для сцепления областей 1 и 3 должны проходить через горизонт событий черной дыры. Результирующая сила F₁ в верхней части области 1 направлена в сторону от центра черной дыры. К центрам верхних частей других областей 2, 3, 4 в показанном сечении циркуляционного потока приложены аналогичные силы. Результирующие силы во всех других сечениях, проходящих через ось N – N, в верхних частях областей 1, 2, 3, 4 направлены в сторону от центра черной дыры. Эти силы в целом противостоят гравитации черной дыры и удерживают вещество циркуляционного потока от падения в черную дыру.

Если рассматривать силы, которые приложены к периферийным частям областей, например в области 1, как показано на рис. 11, то необходимо дополнительно учитывать центробежную силу F_Ц вещества потока, закрученного относительно центра области 1. Этой силе противостоит сила Ампера F_А, которая притягивает условные проводники с током к центру области 1. Также необходимо учитывать другие силы, например, силу взаимодействия с потоком вещества аккреционного диска черной дыры. Рассмотренные силы в целом определяют форму верхней части циркуляционного потока.

Вблизи горизонта событий черной дыры искривление пространства под действием гравитации черной дыры игнорировать уже нельзя, поэтому анализ действующих сил необходимо проводить с учетом кривизны пространства. Сечение циркуляционного потока в этом случае можно показать в плоскости, воспользовавшись методом, который используют для составления некоторых топографических карт земной поверхности. Для достижения большей точности на картах криволинейную поверхность Земли разрезают на сегменты, которые затем отображают на топографической карте. Также точно, как на карте, на рис. 12 показано сечение циркуляционного потока с учетом искривления пространства, с изображением областей потока в виде отдельных сегментов. На рис.13 приведен сегмент первой области циркуляционного потока в увеличенном масштабе.

  Рис. 12                                                                           Рис. 13   

На рисунке 13 показана топология области 1 циркуляционного потока в сечении плоскостью, а также траектории движения проводников циркуляционного потока в условиях искривления пространства с минимальным искажением. В нижней части области 1 сечения тора, вблизи горизонта событий черной дыры, показаны силы, которые действуют на эту часть в целом. Силы F’₁₂ иF’₁₄ - это силы взаимодействия с соответствующими соседними областями 2 и 4. Силы направлены практически параллельно друг другу, поэтому не могут удерживать эту часть от падения в черную дыру. Сила F’₁₃ полностью экранирована горизонтом событий черной дыры. Единственная сила, которая действует на проводники с током в нижней части области 1, это сила F’₁₁ взаимодействия нижних проводников с верхними проводниками области 1 тора. Сила F’₁₁ уравновешивает гравитационное притяжение вещества в нижней части, а также обеспечивает торможение потока плазмы вблизи горизонта событий черной дыры.

В итоге циркуляционный поток напоминает конструкцию, в которой верхняя его часть удерживается от падения в черную дыру за счет сопротивления сжатию, в результате взаимной опоры соответствующих частей торов друг на друга. А нижняя часть циркуляционного потока, которая уходит вглубь черной дыры, держится за верхнюю часть.

Механизм формирования струйных выбросов черной дыры

Струйные выбросы различных астрофизических объектов имеют много общих черт и, по-видимому, формируются одним и тем же механизмом в виде циркуляционного потока и действующими в этом потоке электромагнитными силами (см. блог «Струйные выбросы астрономических объектов»). Как в случае циркуляционного потока звезды, для черной дыры можно выделить участки – участок генерации электрического тока, участок сжатия вещества и магнитного поля и участок расширения и формирования струйного выброса - джета.

Участок генерации электрического тока в данном случае распространяется вглубь области 1 циркуляционного потока. Усиление электрического тока на этом участке связано с пересечением условными проводниками с током магнитных силовых линий, которые сформированы током условных проводников в верхней части области 1, и с сужением потока.   На этом участке дополнительно происходит торможение условных проводников и связанного с этими проводниками вещества.   На проводники с током действуют силы Ампера. На рис. 13 показаны векторы сил F’₁₁₁,F’₁₁₂, F’₁₁₃ действующие на условный проводник на различных участках его траектории. Силы   направлены перпендикулярно силовым магнитным линиям. Эти силы тормозят проводник, и разворачивает его траекторию в сторону участка сжатия, а затем вверх к участку расширения. Энергию электромагнитному полю сообщает падающий в черную дыру поток вещества аккреционного диска. Скорость движения вещества имеет неравномерный профиль. По всей видимости, центральная часть потока q₁вещества акрреционного диска не встречает сопротивления, разгоняется до околосветовых скоростей и достигает горизонта событий черной дыры. Периферийные части (q₂)   за счет электромагнитных сил тормозятся и разворачиваются в сторону участка сжатия, отдавая свою кинетическую энергию электромагнитному полю.

На участке сжатия векторы движения условных проводников и связанного с ними вещества со стороны первой и второй областей циркуляционного потока направлены навстречу друг другу. Поэтому на этом участке должна наблюдаться максимальная концентрация электромагнитной и механической энергии. Видимо, часть электромагнитной энергии и вещества, возможно половина, на этом участке в виде узкого конуса направляется в черную дыру, а другая часть, разворачивается в сторону участка ускорения и формирует джет черной дыры. На участке сжатия, и в целом в нижней части области черной дыры, следует ожидать высокую плотность высокочастотного электромагнитного излучения, которое формируется как синхротронное излучение. Возможно, энергия и плотность электромагнитного излучения достаточна, чтобы могли образоваться электрон - позитронные пары.

На участке ускорения также следует ожидать неравномерный профиль скоростей. Центральная часть струи джета (q₄), возможно, формируется в непосредственной близости от горизонта событий черной дыры, поэтому обладает максимальной плотностью энергии. Эта часть струи, возможно, состоит в основном из элементарных частиц. В периферийной области струи могут сохраниться ядра атомов вещества.

Источник энергии циркуляционного потока черной дыры

Основным источником энергии циркуляционного потока, по-видимому, является гравитационная энергия падающего в черную дыру вещества. Если принять за нулевой потенциал энергию вещества вне гравитационного поля черной дыры, то гравитационная энергия тела вблизи горизонта черной дыры становится отрицательной и приближается к полной энергии тела.Исходя из закона сохранения энергии, эта энергия должна быть передана электромагнитному полю, которое раскручивает поток и возвращает часть падающего вещества с его энергией обратно.

Варианты конфигураций струйных выбросов черной дыры

На рис. 14, 15, 16 показаны различные конфигурации струйных выбросов черной дыры. 

На рис. 14 показан классический вариант вариант (классический, разумеется, в рамках обсуждаемой гипотезы). Черная дыра формирует узконаправленный струйный выброс в виде джета. Энергию джету дает гравитационная энергия вещества аккреционного диска, падающего в черную дыру. На основе этого варианта был рассмотрен механизм формирования струйных выбросов.

В случае если поток вещества, который питает черную дыру, направлен преимущественно со стороны полюсов черной дыры, как показано рис. 15, циркуляционный поток может изменить направление своего вращения. Неправильно утверждать, что черная дыра в галактических ядрах может брать вещество только из аккреционного диска, плоскость которого совпадает с плоскостью галактики. Изначально все вещество во Вселенной было равномерно рассредоточено по всему пространству. При этом масса вещества в областях выше и ниже плоскости галактики была существенно больше, чем в области диска галактики. Скоре всего, вещества в этих областях больше, также и в настоящее время. (см. статью «Астрономы, возможно, обнаружили «недостающую массу» Галактики» http://science.compulenta.ru/682905/ ). Возможно, черные дыры в галактических ядрах являются «насосами», которые качают вещество из окружающих областей в диск галактики. В этом случае, ионизированный поток вещества, направленный магнитным полем черной дыры, поглощается полярными воронками циркуляционного потока черной дыры, а затем, в виде экваториальных выбросов, распыляется в плоскости галактики. Вполне возможно, что черная дыра «Стрелец А*» в центре нашей галактики в настоящее время функционирует именно в этом режиме. Механизм формирования струйных выбросов для этого варианта аналогичен рассмотренному механизму для первого варианта.

На рис. 16 показан вариант с противотоком. В этом случае у черной дыры, в дополнение к джету, могут наблюдаться экваториальные выбросы. Механизм формирования экваториальных выбросов в виде двух раздельных боковых лепестков описан в блоге «Струйные выбросы астрономических объектов». При этом, вещество аккреционного диска падает в экваториальную щель циркуляционного потока между торами, навстречу экваториальным выбросам.

Показанные варианты не исчерпывают всех возможных конфигураций структуры циркуляционного потока и, соответственно, струйных выбросов. Например, возможен циркуляционный поток, который образован тремя торами (рис. 17). Этот поток формирует гексапольную конфигурацию магнитного поля.   Отличительной особенностью этой конфигурации является то, что этот поток и конфигурация магнитного поля могут быть не симметричными, например, под влиянием внешнего окружения, за счет уменьшения или увеличения величины среднего тора, магнитное поле потока в целом может иметь явно выраженную дипольную компоненту, а поток в целом ненулевой момент вращения. Также, данная конфигурация циркуляционного потока может рассматриваться как переходная между конфигурациями, показанными на рис. 15 и рис. 16.

Необходимо отметить, что существуют симметричные конфигурации магнитного поля для всех рассматриваемых конфигураций циркуляционных потоков, при которых магнитное поле вдоль магнитных линий направлено в противоположную сторону.

Продолжение данного блога изложено в Части 2.