ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУЙНЫХ ВЫБРОСОВ АКТИВНЫХ ГАЛАКТИЧЕСКИХ ЯДЕР И ЧЕРНЫХ ДЫР. ЧАСТЬ 2

Во второй части сообщения блога рассмотрена структура магнитного поля галактики Млечный Путь и механизм его формирования на основе магнитных полей струйных выбросов и циркуляционного потока черной дыры Стрелец А*, изложена концепция происхождения «Пузырей Ферми», приведены комментарии к результатам наблюдений экваториальных выбросов галактических ядер.

Вторую Часть сообщения блога следует рассматривать совместно с первой Частью.

Объяснение результатов наблюдений на основе следствий гипотезы формирования струйных выбросов активных галактических ядер и черных дыр

Происхождение магнитного поля галактики

Магнитное поле в объеме всей галактики, по видимому, формируется за счет магнитного поля галактического ядра, магнитного поля струйных выбросов галактического ядра, а также других второстепенных источников магнитного поля.

Физика формирования магнитного поля струйных выбросов следующая.

Согласно распространенной точке зрения, вдоль струйных выбросов протекает электрический ток (См. статью «Магнитодинамические модели астрофизических струйных выбросов», стр. 1264   http://ufn.ru/ufn10/ufn10_12/Russian/r1012a.pdf ). Если источник тока находится в одиночестве, то должен замыкаться в экваториальной области вблизи черной дыры. Когда струйный выброс погружен в среду с конечным давлением, обратный ток, как предполагают, должен течь по границе кокона, образующегося за счет взаимодействия сверхзвукового ветра с внешней средой. Границы соответствующих коконов хорошо просматриваются на изображении структуры джета радиогалактики Геркулес (3C 348) на рис.1 (см. часть 1). Электрический ток, обеспечивает коллимацию (сжатие в узкую струю) вещества джета за счет силы Ампера – параллельные токи притягиваются. При этом, в случае остановки потока преобладают силы взаимного отталкивания одноименно зараженных частиц – что наблюдается в областях коконов.

Возникновение электрического тока, предположительно, связано с областью распространения струйного выброса на входе полярных воронок торов циркуляционного потока черной дыры, где электроны, как наиболее легкие частицы, отклоняются магнитным полем торов в стороны. При этом протоны, за счет большей массы и инерции лучше сохраняют траекторию движения и образуют электрический ток струйного выброса, распространяющийся вдоль оси этого выброса. Этот ток создает кольцеобразное (тороидальное) магнитное поле вокруг проводника с током.

По всей видимости, магнитное поле струйных выбросов черной дыры преобладает в гало   галактики, поскольку струйные выбросы могут распространяться на значительные расстояния, где поле галактического ядра ослабевает, в тоже время магнитное поле галактического ядра доминирует в центральной части галактики.

                                              Рис. 18 

На рис. 18 оранжевыми линиями и стрелочками показаны траектории положительно зараженных частиц – протонов, образующих электрические токи J₁ и J₂ . Эти токи формируют магнитное поле в виде двух торов, расположенных выше и ниже плоскости галактики. На рисунке показана часть силовых магнитных линий В₁₂ верхнего тора, и часть силовых магнитных линий В₃₄ нижнего тора. Магнитное поле в верхней области галактики направлено против часовой стрелки, если смотреть на плоскость галактики сверху. Ниже плоскости галактики, поле направлено в противоположную сторону. Магнитное поле, формируемое галактическим ядром, направлено, в основном, вдоль плоскости галактики с разворотом в стороны выше и ниже диска галактики. Силовые магнитные линии части этого поля обозначены В₁, В₂, В₃, В₄. Вверху и внизу рисунка показаны коконы, образованные взаимодействием струйных выбросов с веществом гало.

Для галактики Млечный Путь гипотеза происхождения магнитного поля требует пояснения. Дело в том, что галактическое ядро в нашей галактике в настоящее время не проявляет существенной активности, и полярные струйные выбросы не наблюдаются. В тоже время, можно предположить, что черная дыра в центре нашей галактики была пассивной не всегда. Например, 50 млн. лет назад ядро галактики могло проявлять активность в результате падения в черную дыру звезды. По этой причине полярные струйные выбросы могли сформировать в гало галактики магнитное поле, как показано на рис 18. Магнитное поле, в большом объеме пространства, наполненном плазмой, в состоянии запасти очень большую энергию. Эта энергия быстро рассеяться не может. В результате в настоящее время мы можем наблюдать остатки этого поля.

Данное предположение подтверждается наблюдениями.

На рисунке 19 показана карта магнитного поля галактики Млечный Путь в виде «Фарадеевской глубины».                                                                  

Рис.19

Красным цветом обозначено общее направление предполагаемых силовых магнитных линий полей в идее двух торов, сформированных струйными выбросами галактического ядра. Силовые линии направлены в сторону наблюдателя в областях положительной глубины (коричневый цвет), и от наблюдателя в областях отрицательной глубины (голубой цвет). Расположение силовых магнитных линий оптимальным образом совпадает с областями положительной и отрицательной глубины. Разворот друг от друга ближайших к наблюдателю магнитных линий связан с точкой зрения наблюдателя на Земле (см. рис.18). Дополнительно на карте обозначены области магнитного поля галактических рукавов и направление магнитного поля в этих рукавах. Подробные комментарии в отношении магнитного поля галактических рукавов приведены в следующем разделе.

Структура магнитного поля галактики

По всей видимости, в сумме силовые магнитные линии полей галактического ядра, галактического диска и гало образуют спиральные формы. Спираль выше диска галактики распространяются от плоскости галактики вверх. Спираль закручена против часовой стрелки, если смотреть сверху на плоскость галактики. Спираль ниже диска галактики направлена вниз и закручена по часовой стрелке, если смотреть сверху. В диске галактики, где магнитное поле спиралей направлено в противоположные стороны, формируется перемежающееся магнитное поле, при котором в части рукавов галактики или в пространстве между рукавами поле направлено вдоль рукавов в сторону центра галактики, а в другой части - в сторону от центра.

На следующих иллюстрациях показано магнитное поле галактики описанной формы. Предполагается, что наша галактика имеет четыре рукава. Начала двух рукавов привязаны к концам перемычки галактического бара, а два других рукава начинаются на кольце, охватывающем галактический бар. В начале магнитные линий рукавов поднимаются верх из окружающей области галактического бара, затем плавно опускаются в сторону диска галактики.

Рис. 20

На рис. 20 в проекции показаны магнитные силовые линии, связанные с рукавами галактики. Серым цветом обозначено направление магнитного поля торов полярных струйных выбросов черной дыры. Видно, что магнитные линии рукавов и магнитные линии торов составляют единую систему. Необходимо учитывать, что для каждого рукава существуют потоки таких линий, которые на протяжении всей длины рукава поднимаются вверх, затем опускаются вниз, в виде формы, показанной на рисунке для одной магнитной линии. Очень наглядно структуру этих потоков для рукавов SAGITTARIUS и SCUTUM можно наблюдать на карте магнитного поля рис. 22.

Рис. 21  

На рис. 21 показано магнитное поле галактики в двух видах. Левая часть рисунка 21 это вид на плоскость галактики сверху. Считают, что магнитное поле в плоскости галактики в основном распространяется вдоль ее рукавов. Предположительно, магнитное поле в рукавах SAGITTARIUS, NORMA и OUTERзакручено против часовой стрелки. Магнитное поле в рукавах SCUTUM и PERSEUS – по часовой стрелке. В правой части рисунка показаны вертикальные компоненты магнитного поля в сечении А-А, а также вид с торца (вид снизу рисунка) на галактический диск.

Вертикальные компоненты магнитного поля сформированы магнитным полем циркуляционного потока и магнитным полем полярных струйных выбросов черной дыры. Магнитные линии поднимаются вверх (и вниз) из полярных воронок циркуляционного потока черной дыры, затем возвращаются к экваториальным областям черной дыры вдоль плоскости галактики – вдоль рукавов. Рукава галактики обладают хорошей магнитной проводимостью, поэтому магнитные линии растягиваются вдоль диска галактики, как показано на рис. 21. Растяжение магнитных линий также связано с горизонтальными компонентами магнитного поля.

В правой верхней части рис. 21 серым цветом обозначено направление магнитного поля верхнего тора, сформированное струйными выбросами галактического ядра. Это поле фактически совпадает с верхними частями магнитных линий рукавов SAGITTARIUS, NORMAи OUTER, которые «подняты» вертикальной компонентой магнитного поля галактики. Поэтому магнитное поле тора, по существу, составляет с магнитным полем рукавов галактики единую систему. По всей видимости, это поле усиливает магнитные линии рукавов. Ниже плоскости галактики ситуация является симметричной. Магнитное поле нижнего тора взаимодействует с магнитным полем рукавов SCUTUM и PERSEUS, взаимно усиливая друг друга.

В связи с тем, что в рукавах SAGITTARIUS, NORMA и OUTER магнитное поле направлено в сторону от черной дыры, а в рукавах SCUTUM и PERSEUS в обратную сторону, эти поля в центре должны замыкаться друг с другом.

По-видимому, это замыкание происходим в кольце вокруг перемычки галактического бара. При этом, вдоль перемычки бара распространяется экваториальная компонента поля черной дыры, которая усиливает поле в рукавах SAGITTARIUS, NORMA и OUTER, поскольку направления полей совпадают, а начала этих рукавов связаны с черной дырой перемычной.

Следует отметить, что магнитные поля рукавов, совместно с экваториальной компонентой поля черной дыры, которая распространяется в основном вдоль перемычки бара, формируют магнитное поле в окружающий бар области. Суммарное поле имеет явную осевую направленность. Поэтому, предположительно, бар обязан своим существованием магнитному полю галактики.

Рассмотренная структура магнитного поля галактики хорошо подтверждается наблюдениями.

На рис. 22 показаны перпендикулярные направлению луча зрения компоненты магнитных силовых линий, как они видны с Земли, полученные от источников синхротронного излучения. Выделены области магнитных силовых линий, связанные с магнитными полями рукавов галактик.

                                                              Рис. 22

В верхней части обозначено магнитное поле рукава SAGITTARIUS. Это поле распространяется, в основном, между галактической долготой 45^Ои 255^О (см. левую часть рис. 21.) Форма поля в виде характерного изгиба подтверждает предложенную гипотезу (см. правую часть рис. 21). Часть магнитных линий рукава, в сторону увеличения долготы от 315^О, за исключением небольшого участка в верхней области, на данной карте практически не фиксируется, т.к. магнитный поток направлен в глубь. В тоже время, эта область выделена голубым цветом на карте, где показаны компоненты магнитного поля вдоль луча зрения. В целом, направление магнитных линий к наблюдателю и от наблюдателя в области магнитного потока рукава хорошо согласуется с картой магнитного поля «Фарадеевской глубины», рис.19.

Немного ниже области рукава SAGITTARIUS выделена область части рукава NORMA от 0^О до 315^О. Удаленная область рукавов NORMA и OUTER, с Земли не видна, или полностью заслоняется рукавом SAGITTARIUS, в связи с тем, что она расположена на обратной стороне галактики. Продолжение рукава OUTER обозначено в левой части рисунка, в виде горизонтальных магнитных линий. В этой области магнитные линии рукава прижаты к галактическому диску. Направление магнитных линий в сторону увеличения долготы связано с тем, что вид на рукав показан с Земли, с разворотом от галактического центра. Высокая интенсивность линий магнитного поля в этой области объясняется тем, что рукав OUTER подходит близко к Солнцу и магнитные линии расположены перпендикулярно лучу зрения.

В нижнем полушарии обозначена область рукава SCUTUM. Магнитные линий этого рукава поднимаются (от плоскости галактики вниз) по более пологой траектории, чем в случае рукава SAGITTARIUS, что согласуется со структурой магнитного поля в соответствие с гипотезой (см. рис 21). Направление магнитных линий к наблюдателю и от наблюдателя в области магнитного потока этого рукава согласуется с картой магнитного поля «Фарадеевской глубины», показной на рис.19.

Слева выделена область рукава PERSEUS. Это внешний рукав по отношению к Солнцу, поэтому направление магнитного поля рукава показано в сторону уменьшения долготы (в противоположную строну по отношению к виду с торца на рис. 21.) В области, вблизи линии галактической долготы 180^О на карте обозначена интенсивная горизонтальная компонента магнитного поля рукава. Это объясняется тем, что рукав в этой области расположен на ближайшем расстоянии от Солнца и магнитные линии видны перпендикулярно взгляду наблюдателя. Ближайшая область рукава PERSEUSсильно удалена от галактического центра, поэтому магнитные линии прижаты к плоскости галактики. С уменьшением долготы магнитное поле рукава направлено от наблюдателя, что практически не фиксируется на данной карте, но выделено голубым цветом на карте рис. 19 как область векторов магнитного поля, уходящих вглубь. Линией оранжевого цвета со стрелочкой показано направление магнитного поля этого рукава.

Наблюдения магнитного поля других спиральных галактики, в основном, подтверждают рассмотренную структуру магнитного поля для галактики Млечный путь. Похожую структуру можно наблюдать у галактики NGC 5775 - вид с торца и галактики М51 - вид на плоскость, которые показаны на рис. 6 и 7. Вертикальные компоненты магнитного поля галактики NGC 5775 практически совпадают с магнитным полем галактического ядра, в соответствие с гипотезой. Распространение магнитного поля вдоль рукавов диска галактики М51 и в целом вдоль диска галактики связано с большей величиной магнитной проводимости среды галактического диска в результате большей концентрации, чем в гало, заряженных частиц, которые за счет группового движения создают большую видимую величину магнитной проводимости.

Пузыри Ферми

Предложенная гипотеза хорошо объясняет происхождение пузырей Ферми. Иллюстрация пузырей Ферми приведена на рис. 10 (см. часть 1).

Происхождение пузырей Ферми связано со следующим.

Дело в том, что после «отключения» джета черной дыры, отключается электрический ток, который течет воль джета. При этом, за счет уменьшения магнитного потока, вокруг магнитных линий формируется электрическое поле очень высокой напряженности.   Известно, что если отключить от батарейки мощный электромагнит, то возникает сильная искра. С отключением тока вдоль джета происходит именно это. Электрическое поле пытается восстановить прерванный электрический ток.

Рис. 23 

На рис. 23 красным цветом показано электрическое поле, которое генерируется в результате отключения джета черной дыры. Поле создает эл. ток, в основном, в виде циркуляции электронов вокруг магнитных линий поля торов. Как показано, циркуляционный поток электронов подпитывается электронами со стороны диска галактики. При этом, электроны подпитки двигаются вдоль магнитных линий галактического ядра. Траектории электронов, распространяющихся вдоль магнитных линий галактического ядра и вдоль электрического поля гало, определяют характерную форму пузырей Ферми. В сумме, ускоряемый электрическим полем поток электронов, магнитное поле гало галактики и магнитное поле галактического ядра формируют синхротронное радио, рентгеновское и гамма излучение.

Следует отметить, что в магнитном поле гало галактики может быть запасена очень большая энергия. Во время струйного выброса черной дыры на генерацию магнитного поля, предположительно, может расходоваться, по меньшей мере, 0,1 полной энергии массы звезды поглощаемой черной дырой. Учитывая низкое сопротивление циркуляции электронов в вакууме, потери на циркуляцию электронов могут быть небольшими, При этом энергии магнитного поля, расходуемой в основном на излучение из области пузырей Ферми, может хватить на длительное время.

Экваториальные струйные выбросы галактик

Формирование струйных выбросов, которые наблюдаются у галактики М 82, можно объяснить экваториальными выбросами плазмы черной дыры, показанными на рис.15 (см. часть 1). В этом случае энергию циркуляционному потоку сообщает поток вещества, который падает на черную дыру сверху и снизу плоскости галактики. Поток фокусируется магнитным полем и поглощается полярными воронками циркуляционного потока черной дыры. Возможно, такой поток образован в результате столкновения галактики М82 с галактикой М81. У галактик в ранней вселенной, этот поток мог идти и без столкновения, из межгалактического пространства, под действием гравитации, поскольку плотность вещества в то время была больше, чем сейчас.

Вполне возможно, что циркуляционный поток черной дыры постоянно переключается между двумя конфигурациями, показными на рис. 14 и рис. 15 (см. часть 1), в зависимости от того, где поток имеет большую мощность. Например, при исчерпании вещества из области выше и ниже плоскости галактики, циркуляционный поток меняет направление вращения и переключается на откачку вещества из диска галактики, включая при этом узкий джет, который направляет вещество обратно.

Теоретически, поток вещества в полярные воронки циркуляционного потока должен исключать узкий полярный джет из этих воронок, поскольку циркуляционный поток черной дыры в этом случае закручен в другую сторону. См. рис. 14 и рис.15. Это согласуется с наблюдениями чёрных дыр, звёздных масс, например IGR J17091-3624, которые свидетельствуют о том, что ветры (экваториальные выбросы) подавляют джеты.

У активных галактических ядер, у которых все - же одновременно наблюдаются джеты и струйные выбросы типа экваториальных ветров   (ultra-fast outflows - UFO, см. рис. 4), одновременное формирование экваториальных и полярных выбросов в рамках гипотезы возможно в случае противотока вещества аккреционного диска и экваториальных выбросов, как показано на рис.16 (см. часть 1). При этом, верхний и нижний лепестки экваториальных выбросов могут эффективно разделятся между собой и отделятся от потока аккреционного диска за счет циркулирующих в этих лепесткам электрических токов, направленных в противоположные стороны, которые отталкивают лепестки друг от друга (см. блог «Струйные выбросы астрономических объектов»). В веществе аккреционного диска электрический ток изначально отсутствует, поэтому поток аккреционного диска походит в щель между торами практически беспрепятственно.

Выше отмечено, что вдоль джета протекает электрический ток в виде избытка протонов. Когда коконы джета насыщаются положительным зарядом, протоны под действием эл. поля возвращаются обратно к черной дыре «сгребая» на своем пути вещество из областей выше и ниже диска галактики в галактику. По всей, видимости, этим объясняются галактические ветры, текущие в сторону галактики.
Добавлено: 27.12.12