Релативистични струи — мощни плазмени потоци със скорости близки до c

Релативистичните струи са изключително мощни потоци от плазма, движещи се със скорости, близки до скоростта на светлината. Те се срещат както в центровете на активни галактики, така и около компактни обекти в нашата и други галактики. Често се наблюдават като дълги, добре колимирани лъчи, които могат да простират от няколко светлинни години до няколко стотици хиляди светлинни години. Най-големите и енергични струи обикновено са свързани с масивни черни дупки в ядрата на галактиките: те се излъчват от централните черни дупки на някои активни галактики (по-специално радиогалактики и квазари), както и от черните дупки на масивни звезди и неутроннизвезди.

Произход и механизъм на образуване

Образуването на релативистични струи е свързано с процесите около въртяща се черна дупка или друг компактeн обект и с наличието на акреционен диск и силни магнитни полета. Някои от ключовите механизми, предлагани от теоретиците, са:

• Механизъм, свързан със спина на черната дупка (напр. Blandford–Znajek): магнитни полета извличат енергия от въртенето на черната дупка и я насочват по оста на въртене, образувайки струя.
• Магнитно ускоряване от акреционния диск (напр. Blandford–Payne): поле, свързано с диска, може да изстрелва плазма по магнитни линии, които служат за „релси“ на струята.
• Шокове и реколимация, които поддържат и ре-ускоряват потокa на големи разстояния.

Колимацията (съсредоточаването) и ускорението на струите често изискват силни организирани магнитни полета близо до централния двигател. Размерът на зоната на изстрелване обикновено е от порядъка на няколко до десетки гравитационни радиуси на черната дупка.

Състав и физични свойства

Съставът на струите може да варира и е предмет на активни изследвания. Възможните компоненти са:

• електрони и протони (е–p плазма),
• електрони и позитрони (е+e– двойки),
• смесени състави с магнитни полета, преносещи значителна част от енергията (Poynting-flux dominated jets).

Релативистичните скоростни фактори (коефициент на Лоренц γ) за струите от активните галактики често са в диапазона γ~5–20, но някои източници (особено свързани с гама-изригвания и блазарите) могат да имат γ от ~100 или повече. За гама-изригвания се предполага γ ~100 или повече, което съответства на скорости над ~0,99995c.

Наблюдения и емисия

Релативистичните струи се наблюдават в различни диапазони от електромагнитния спектър:

• Радиовълни: синхротронна емисия от релативистични електрони в магнитни полета оформя характерни радиоструктури — струи, горещи точки и лобове.
• Оптичен и рентгенов диапазон: ускорените частици и ударни фронтове дават допълнителна емисия и бързи вариации.
• Гама-лъчи: в някои случаи (напр. блзари, γ-изригвания) струите генерират високоенергийна емисия чрез инвертен комптонов процес или други механизми.

Релативистичните ефекти водят до характерни наблюдателни явления: доплерово усилване (beaming), което прави струята, насочена към наблюдателя, много по-ярка; асиметрия между джет и контра-джет; и аппарентно свръхсветлинно движение при наблюдения с висока резолюция (VLBI), което е проекционен ефект, причинен от високата скорост и геометрията на източника.

Мащаби, морфология и классификация

Релативистичните струи показват голямо разнообразие по мощност и форма. В радиогалактиките често се използва класификацията на Fanaroff–Riley:

• FR I: по-слаби, със свиваща се яркост от центъра към края; често имат по-развалена структура.
• FR II: по-мощни, със ясно изразени горещи точки (hotspots) в краищата на лобовете.

Големите струи могат да образуват обширни радиолобове, които взаимодействат с междупланетната и междугалактичната среда, създавайки шокови предни ръбове и топлинни структури видими в рентгеновия диапазон.

Влияние върху галактиките и средата

Релативистичните струи носят огромни количества енергия и импулс; чрез механизми на обратна връзка (AGN feedback) те могат да:

• загреят или изгонят газ от централните части на галактиката, потискайки формирането на звезди;
• променят динамиката на газовата среда в галактичните купове;
• ускоряват частици до космически лъчни енергии и генерират магнитни полета в междугалактическата среда.

Примери и наблюдения

Знакови примери за релативистични струи са ядрата на големи радиогалактики и квазари, например 3C 273, M87 и Centaurus A. Наблюденията с VLBI и усилията като Event Horizon Telescope дават нови детайли за региона близо до хоризонта на събитията и за механизма на изстрелване на струите. В по-малки мащаби подобни явления се наблюдават в X-лъчеви двукомпонентни системи и в т.нар. „микроквазари“ в нашата галактика (напр. SS 433, които обаче имат по-ниски релативистични скорости спрямо някои AGN струи).

Роля при гама-изригванията

Общата хипотеза на астрофизиците е, че формирането на релативистки струи е ключът към обяснението на появата на гама-изригвания. Тези струи имат коефициент на Лоренц ~100 или по-голям (т.е. скорости над приблизително 0,99995c), което ги прави едни от най-бързите небесни обекти, известни в момента. В моделите на γ-изригвания струя, насочена към наблюдателя, обяснява кратката, интензивна високоенергийна емисия и последвалата „afterglow“ радиация.

Открити въпроси и бъдещи изследвания

Въпреки напредъка, много въпроси остават открити:

• точният състав на струите (е–p срещу е+e–);
• колко енергия идва директно от спина на черната дупка спрямо акреционния диск;
• как точно магнитните полета се организират и поддържат колимацията на големи разстояния;
• детайлите на ускорението на частици и връзката със космическите лъчи.

Нови наблюдения в радиодиапазона (VLBI), рентгеновите и гама-обсерватории, както и числени MHD симулации, дават все по-добро разбиране и ще продължат да изясняват физиката на тези мощни космически струи.

Въпроси и отговори

В: Какво представляват релативистките струи?

В: Откъде идват релативистките струи?

В: Каква е дължината на релативистките струи?

В: Какво е важното за скоростта на релативистките струи?

В: Какъв е съставът на релативистките струи?

В: Каква е хипотезата на астрофизиците за образуването на релативистичните струи?

В: Колко бързо могат да се движат релативистките струи?

Търсене по буква