Природа космических джетов

Астрономические наблюдения последних десятилетий привели к открытию у значительного числа небесных объектов т. наз. джетов – узконаправленных энергетических образований, отходящих от небесного тела в двух противоположных направлениях.

Большую часть этих объектов можно разделить на два основных вида. Первый – это очень компактные космические тела, размер которых оценивается десятками километров, а массы лежат в пределах 0.2…2.4 солнечных. Они разбросаны среди звезд нашей и, видимо, других галактик и, по предположениям, являются остатками звезд после завершения ими своего жизненного цикла. Тела эти быстро вращаются вокруг своей оси – некоторые из них совершают до 750 оборотов в секунду. Вследствие этого джеты, испускаемые телом, совершают циклическое движение в пространстве и, если один из них периодически попадает в объектив регистрирующего устройства, то это отмечается как пульсация. Поэтому такие небесные тела были названы пульсарами.

Такое представление о пульсарах дает основание предполагать у них сильное магнитное поле, а исключительно мощная гравитация может вызывать аккрецию вещества на его поверхность. Аккреция очень возможна потому, что многие пульсары обнаружены в составе двойных систем, где их компаньоном является обычная звезда. Предполагается, что вещество из оболочки этой звезды постоянно перетекает в аккреционный диск, образующийся вокруг пульсара, а затем, двигаясь по спирали, падает на его поверхность.

Второй вид космических тел, испускающих джеты, это квазары – загадочные объекты, расположенные в центре многих галактик. Об их природе мало что известно, но одно бесспорно – их размеры и массы на много порядков больше, чем у пульсаров. Это проявляется в мощности джетов – если энергия, излучаемая пульсаром, соизмерима с энергией звезд, то энергия квазара многократно превышает энергию целой галактики, а длина его джетов измеряется десятками тысяч световых лет.

Несмотря на различие масштабов, джеты у пульсаров и квазаров во многом похожи – они могут регистрироваться в радиодиапазоне, в видимом свете, в рентгеновских и гамма-лучах а, проходя через облака межзвездной пыли и газа, вызывают их свечение. Это позволяет предположить у всех джетов общую природу.

Как же современная наука объясняет этот феномен? Сделаем краткий обзор научных работ по этой теме, размещенных на сайте http://arXiv.org за последний год. В работах [1], [2] и других отмечается, что джет представляет собой узконаправленный поток плазмы, в котором электроны движутся с околосветовыми скоростями. Эти электроны, находясь в магнитном поле, испускают т. наз. синхротронное излучение, направленное в сторону своего движения. Фотоны, взаимодействуя с электронами, испытывают Комптоновское рассеяние, но на релятивистских электронах имеет место обратный эффект Комптона – частота отраженного излучения выше, чем падающего.

В работе [3] рассмотрены два возможных сценария этого события. Первый – фотоны синхротронного излучения подвергаются Комптоновскому рассеянию на тех же электронах, которыми они были испущены. Второй сценарий – фотоны, рассеиваемые на электронах, попадают в джет из каких-то внешних источников.

Так, в общих чертах, объясняется широкий спектр излучений джета. Что касается других компонентов, составляющих джет, то здесь уместно привести цитату из работы [1]: «Вещество, образующее джет, точно неизвестно, но наличие в нем релятивистских адронов следует из спектра гамма-излучений. К тому же, сильные деформации, которые вызывает джет в межзвездном пространстве, предполагает значительное содержание барионов».

Несколько слов о структуре джета. В работе [4] предполагается, что его внутренность состоит из разреженного газа, движущегося с большой скоростью, а наружный слой – более плотный медленно движущийся газ.

Но самый главный вопрос астрофизики – как формируется джет и откуда берет огромную энергию. Исследователи предполагают, что процесс испускания джета обусловлен тремя факторами: собственное вращение тела, мощное магнитное поле и аккреция вещества на его поверхность. В самом общем виде этот процесс представляется  так. Вещество из аккреционного диска, падая на поверхность тела, движется турбулентно и, вследствие этого, разогревается  и ионизируется. Образующиеся заряженные частицы подхватываются магнитным полем и переносятся в районы пересечения оси симметрии  поля с поверхностью тела. Здесь магнитное поле разгоняет частицы до больших скоростей и выбрасывает их с обоих полюсов в радиальных направлениях в виде узких пучков. В этом процессе, по мнению исследователей, действует т. наз. механизм Блэндфорда-Знаека (Blandford & Znajek), благодаря которому происходит передача энергии вращения тела через магнитное поле испускаемым потокам джетов.

Поскольку ось магнитного поля наклонена к оси вращения тела, прямая, вдоль которой выбрасываются джеты, описывает круговую коническую поверхность, а сами джеты совершают циклические движения в пространстве.

Однако, по признаниям многих исследователей, теория испускания джетов еще далека от завершения, поскольку результаты исследований пока не дают ответов на все вопросы. Так в работе [5] отмечается: «…для испускания джетов требуется магнитное поле, но требуется ли для этого аккреция, или джет получает энергию только от вращения тела, пока неясно». А вот цитата из работы [1]: «Пока неясна роль магнитного поля в излучении джетов, так как считается, что энергия магнитного поля слишком мала для энергии джетов». К этому следует добавить, что до сих пор нет убедительных ответов на вопросы:

• почему сохраняется высокая скорость частиц джета на больших удалениях от тела?
• как объяснить устойчивость джета на всем его протяжении?

Учитывая незаконченность теории космических джетов, автор статьи представляет свою гипотезу их происхождения, основанную на двух предположениях:

1. Все межзвездное пространство заполнено некоторой средой, которая в целом неподвижна, но в ней могут распространяться колебания.

2. Частицы вещества могут существовать только в движении относительно среды. Если их скорость становится меньше некоторой критической, они распадаются с выделением энергии в виде колебаний. 

Как видим, второе предположение вполне соответствует философскому взгляду на движение, как форму существования материи, но с дополнением, что имеется в виду движение относительно среды. Одна из моделей такой среды описана в работе [7].

Теперь переходим к сути новой гипотезы. Как известно, многие космические тела, перемещаясь поступательно, вращаются вокруг собственной оси. Рассмотрим самый простой случай, когда ось вращения тела перпендикулярна вектору скорости поступательного перемещения. Такое движение является плоскопараллельным, где все точки тела перемещаются в параллельных плоскостях.

Из кинематики известно, что если тело движется плоскопараллельно, то обе составляющие этого движения – вращение вокруг собственной оси и поступательное перемещение – можно заменить одним вращением вокруг т. наз. мгновенной оси. Эта мгновенная ось проходит на некотором расстоянии от собственной оси вращения тела и всегда параллельна ей. Расстояние между осями тем меньше, чем быстрее вращается тело (при неизменной скорости поступательного движения).

Когда мгновенная ось проходит в стороне от тела, то никакого эффекта нет. Если же скорость вращения настолько велика, что мгновенная ось пересекает тело, то в нем появляются точки, которые оказываются неподвижными относительно среды. Точки эти лежат на мгновенной оси, а скорости остальных точек пропорциональны расстоянию до нее. Отсюда следует, что все частицы тела, у которых скорости становятся меньше критической в один и тот же момент времени, расположены внутри цилиндра, описанного вокруг мгновенной оси некоторым радиусом.

Согласно предположению 2 все частицы тела, попадающие в эту область, одновременно начинают распадаться, выделяя всю свою энергию. Как будто в трубе, открытой с обоих концов, постоянно сгорает мощный заряд, и из нее вырываются струи энергии, узкими пучками расходящиеся в обе стороны перпендикулярно плоскости вращения тела.

В некоторых исследованиях оценивается размер участка поверхности пульсара, из которого исходит джет. Размер этот небольшой – всего несколько десятков метров. В нашем случае это и есть диаметр цилиндрической области, в которой происходит выделение энергии.

Мы рассмотрели случай, когда ось вращения пульсара перпендикулярна направлению его поступательного движения. Если же ось наклонена, то вектор скорости поступательного движения можно разложить на две составляющие, одну из которых направить вдоль оси вращения, а вторую – перпендикулярно. Если модуль первой составляющей меньше критической скорости, то и в этом случае имеются условия для распада вещества тела по описанному выше сценарию.

Однако в предложенном механизме образования джетов есть одна неувязка – прямая, вдоль которой выбрасываются джеты, должна быть всегда параллельна оси вращения тела. Почему же тогда джеты совершают циклическое движение в пространстве? Это значит, что и сама ось вращения тела совершает такое же движение, т.е. прецессирует,  описывая круговую коническую поверхность.

Согласно предложенной гипотезе, для образования джетов необходимо, чтобы тело вращалось с большой угловой скоростью. Но каков должен быть период вращения пульсара, чтобы при его малых размерах мгновенная ось проходила через него? В работе [6] приведена оценка поступательных скоростей небесных объектов, испускающих джеты – эти  скорости  лежат в пределах 100…10 000 км/с. Тогда, приняв радиус пульсара порядка 10 км., находим, что его период должен быть не более 0.6 с. Однако известно, что периоды большинства пульсаров лежат в диапазоне 0.5…1 с., а у некоторых достигает 9.43 секунд (пульсар PSR-J2144-3933). Как же тогда у них образуются джеты?

Здесь следует вспомнить, что период пульсара – это время, в течение которого джет совершает полный цикл движения в пространстве. Но это движение вызвано прецессией вращающегося тела, поэтому период пульсара – это не время его полного оборота вокруг оси, а период, в течение которого ось описывает коническую поверхность. Период этот может быть сколь угодно большим и кинематически не связан со скоростью вращения тела. Следовательно,  собственная скорость вращения тела вокруг своей оси может быть очень высокой и вполне достаточной  для образования джетов.

В заключение статьи кратко коснемся возможной причины  прецессии пульсаров. Если принять эту гипотезу, то пульсар представляет собой вращающееся тело переменной массы. Сложность его динамики обусловлена тем, что это изменение массы происходит несимметрично относительно оси вращения, что и вызывает прецессию.

Источники информации

1. http://arXiv.org/pdf/1306.1792.pdf;
2. http://arXiv.org/pdf/1303.1182.pdf;
3. http://arXiv.org/pdf/1308.5157.pdf;
4. http://arXiv.org/pdf/1305.2157.pdf;
5. http://arXiv.org/pdf/1311.4320.pdf;
6. http://arXiv.org/pdf/1311.0077.pdf;
7. http://www.presdrop.ru.

Разместил статью: kavict
Дата публикации:  7-05-2014, 17:17

html-cсылка на публикацию		⇩ Разместил статью ⇩ Имя не указано  Его публикации  Нужна регистрация Отправить сообщение
BB-cсылка на публикацию
Прямая ссылка на публикацию

Огромное Спасибо за Ваш вклад в развитие отечественной науки и техники!