Выяснилось, что джеты меняют свою форму по мере удаления от квазаров.

Ученые из России, Германии, Финляндии и США изучили больше 300 квазаров — вращающихся черных дыр, из которых «бьют» горячие струи плазмы, — и обнаружили, что эти выбросы меняют свою форму при удалении от черной дыры с параболы на конус. Это напоминает знаменитые брюки клеш. Сняв размеры «брюк», ученые смогут разобраться, как разгоняется вещество в центральных машинах далеких активных галактик.

Иллюстрация. «Квазар». Источник: Робин Динель, Институт науки Карнеги.

Работа опубликована в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Квазары — одни из самых ярких объектов в космосе. При этом они находятся очень далеко — в миллиардах световых лет от Земли. Их называют маяками Вселенной: можно не только изучать по ним ее структуру и эволюцию, но и использовать их для навигации на Земле.

Из-за своей чрезвычайной удаленности квазары можно считать неподвижными точками и относительно них измерять параметры вращения Земли и координаты точек на ее поверхности. Это используется в системах ГЛОНАСС и GPS.

Квазары такие яркие, что видны с огромных расстояний, из-за вращающейся сверхмассивной черной дыры с массой до нескольких миллиардов масс Солнца (рисунок 1). Черная дыра притягивает к себе окружающее вещество. Но, что более важно, вместе с веществом она собирает вокруг себя магнитное поле.

Рисунок 1. Иллюстрация центра квазара. Видны: черная дыра, вращающийся аккреционный диск из пыли и газа, плазменная струя в магнитном поле, закрученное магнитное поле в основании выброса и облака межзвездного газа вокруг струи. Ученые установили, что струя меняет свою форму с удалением от центра, напоминая знаменитые брюки-клеш, модные в 1970-х годах / ©Дарья Сокол / Пресс-служба МФТИ.

Силовые линии поля работают как проволоки с нанизанными бусинами — заряженными частицами (рисунок 2). Когда силовые линии вращаются, частицы ускоряются почти до скорости света. Эти течения называются релятивистскими джетами, и именно они делают квазары такими яркими.

Рисунок 2. Схема плазменного джета. Если представить силовые линии магнитного поля как проволочки, торчащие из диска, а заряженные частицы — как нанизанные на них бусины, то при раскручивании диска бусины будут с ускорением подниматься вверх / ©Елена Нохрина и Дарья Сокол / Пресс-служба МФТИ.

Ранее считалось, что джеты имеют форму конусов. Ученые нашли всего несколько исключений из этого правила. Авторы нового исследования наблюдали за сотнями квазаров в течение двух десятков лет с помощью сети радиотелескопов, раскинутой по миру. В результате были получены изображения более 300 объектов и проведен автоматический анализ формы их джетов. Таким образом были найдены 10 квазаров, параболические силуэты джетов которых трансформировались в конические (рисунок 1).

Причем рассмотреть эту трансформацию ученым позволило близкое расположение объектов. Оказалось, что весь десяток находится на расстоянии «всего» в сотни миллионов световых лет. Изменение формы выброса происходит на расстоянии в несколько десятков световых лет от черной дыры.

«Вопрос о механизме формирования и ускорения струй в далеких активных галактиках до сих пор плохо понят. А разобраться в принципах работы этих космических ускорителей крайне важно. Область, в которой джеты формируются, сложно рассмотреть. Она очень компактная, а объекты находятся далеко — там все просто сливается вместе.

Профили струй с указанием перехода от параболической формы к конической в ​​10 соседних активных галактиках. Показана зависимость ширины струи от проецируемого расстояния от видимого основания струи / ©academic.oup.com.

Были разные теоретические модели, но не было наблюдательной информации, которая могла бы их проверить. Нам впервые удалось получить детальные данные о геометрии струйных выбросов для большого количества квазаров», — говорит Юрий Ковалев, член-корреспондент РАН, руководитель научных лабораторий в МФТИ и ФИАН.

Геометрия джета зависит от баланса внутренних и внешних сил, магнитного поля, плазмы джета и межзвездного газа. Авторам работы удалось элегантно учесть это, и в результате форма джета естественным образом меняется в их теоретической модели с параболы на конус. Центральная машина, состоящая из вращающейся черной дыры и магнитного поля, имеет ограниченный запас мощности, как любой двигатель, и не может ускорять частицы бесконечно.

Ранее было известно, что плазма хорошо ускоряется только до определенной скорости, а потом ускорение столь медленно, что им можно пренебречь. Именно эта точка остановки ускорения и соответствует месту «клешения». «Изменение формы выбросов наблюдалось в паре-тройке галактик и в более ранних исследованиях. Но не было сделано важного вывода о том, что это не особенности какого-то определенного объекта, а свойство квазаров как класса.

Нам удалось связать этот эффект с внутренними характеристиками струй. Это оказалось лаконичным и естественным объяснением», — поясняет Елена Нохрина, кандидат физико-математических наук, заместитель заведующего лабораторией фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ.

Теперь у ученых появилась новая возможность оценить скорость вращения центральной черной дыры и разобраться в механизме формирования узких и очень быстрых выбросов плазмы в квазарах. Настолько ярких, что они видны с расстояний в миллиарды световых лет. Работа поддержана грантом Российского научного фонда 16-12-10481.

Источник: https://naked-science.ru/artic...

P.S. В.К. Не знаю, как там кому, но, на мой взгляд, странно было бы полагать, что струи выбросов не меняли бы своей формы на расстоянии от их источника.

Поскольку в статье идёт речь лишь о 10 квазарах из обследованных 300, да ещё близко расположенных друг от друга, то следует положить, на мой взгляд, что выводы сделаны лишь на некотором исключении из какого-то правила, что может свидетельствовать о том, что обозначенные квазары находятся лишь в некой активной фазе, отличной от остальных 290 обследованных.

Чем это можно объяснить, если не сосредотачивать внимание на отличие конусов от парабол?

А объяснить это можно, на мой взгляд, тем, что эти 10 квазаров находятся в начальной стадии формирования галактических структур по схеме, которую я описывал в предыдущих своих постах, что, в общем-то, не удивительно, поскольку крупномасштабная структура вселенной, в глубину которой уже проник наш взгляд, являет собой уже сформированную структуру, в которой сверхскопления галактик находятся в предоконечной или конечной фазе своего формирования как, например, сверскопление, в котором находится наша галактика. И активность этих квазаров как-раз и указывает на это обстоятельство.

Что же касается формы самих джетов, то не удивительно, что они имеют форму расходящихся конусов, поскольку вещество, вовлечённое во вращение вращающейся чёрной дырой, имея свой угловой момент вращения, постепенно рассеивается. А сама яркость джетов определяется активностью поглощения чёрной дырой вещества, сосредоточенного вокруг неё. Поскольку, как мы знаем (я писал об этом ранее), при поглощении чёрной дырой вещества, происходит "сброс" веществом всех зарядов, то это и определяет яркость и активность джетов.