№ 2(11)

Май – июнь

Russian Traveler №2(11) 2024

Астрофизики выяснили, что джет из созвездия Девы заплетен «косичкой»

Фото: Центр коммуникации МФТИ

Исследование ученых позволяет глубже понять процесс влияния сверхмассивных черных дыр на джеты. Джет – полярное струйное течение, — часто наблюдаемое в космосе явление, когда из компактного объекта вдоль его оси вращения выбрасываются потоки вещества.

Международная команда исследователей, включающая ученых ФИАН и МФТИ, провела анализ радионаблюдений высокого разрешения джета галактики М87 – выбрасываемой струи плазмы из окрестности массивной черной дыры.  Ученые определили богатую внутреннюю структуру джета и визуально показали, что в ней преобладают три спиральные нити, которые, вероятно, возникают в результате неустойчивости Кельвина – Гельмгольца, развивающейся в сверхзвуковом потоке.

Исследование ученых позволяет глубже понять процесс влияния сверхмассивных черных дыр на джеты. Наблюдения проводились в течение трех дней в мае 2009 года с использованием радиоинтерферометра VLBA, состоящего из десяти 25-метровых антенн, удаленных друг от друга на максимальное расстояние 8611 км, и одной 25-метровой антенны радиоинтерферометра VLA, а также 100-метрового телескопа Эффельсберга. Полученные изображения имеют динамический диапазон, который позволил зарегистрировать более слабое излучение джета с помощью многочастотных наблюдений с высоким разрешением. 

M87 – сверхгигантская эллиптическая галактика в созвездии Девы, имеющая в центре сверхмассивную черную дыру, которая в 6,5 миллиарда раз массивнее Солнца. Падение на нее вещества галактики делает ее ядро активным и мощным источником излучения, сопровождающегося выделением большого количества энергии. Часть окружающего падающего на черную дыру вещества выбрасывается из нее и порождает джеты, которые простираются на 4900 световых лет.

Одновременно рождается два биполярных противонаправленных джета, формирующихся вдоль оси вращения сверхмассивной черной дыры. Но за счет того, что ученые видят активную галактику наклоненной под малым углом к лучу зрения, излучение от джета, направленное от Земли, значительно подавляется. В итоге видимым остается только один джет. Однако на изображениях некоторых активных галактик контрджет возможно наблюдать, в том числе в М87.

«Мы взяли для анализа уникальные наблюдения, проведенные в течение трех дней еще в 2009 году, но только сейчас доступные расчетные мощности позволили их обработать. Наблюдения проводились самыми мощными телескопами, и за счет очень высокого динамического диапазона мы получили четкое радиоизображении струи джета и увидели минимально слабый поток в деталях. В целом галактика M87 – одна из самых наблюдаемых объектов в Космосе из-за относительной близости к нам и сверхмассивной черной дыры в ее центре. Наблюдение за ней позволило изучить один из самых загадочных объектов во Вселенной, и это не только тень от черной дыры, но и струя джета, на которую мы смотрим чуть-чуть сбоку, под углом 18 градусов. Сам джет хорошо светит в радиодиапазоне за счет течения плазмы по магнитным силовым линиям со скоростью, близкой к скорости света, что позволяет нам строить его наглядные радиоизображения», – Евгения Кравченко, старший научный сотрудник лаборатории физики высоких энергий МФТИ.

На струю джета сильное влияние оказывает не только сама черная дыра, но и аккреционный диск. Скорость падения вещества галактики на чёрную дыру порядка скорости света, и из-за большого углового момента вещество не может напрямую падать в дыру, а образует при падении плоский диск. Мы можем наблюдать подобную картину, если направим сильную струю воды из крана в раковину.

Около слива она растекается и образует спираль и только затем вытекает. Здесь так же – в диске создается спиральное вращение вещества. За счет закручивания материи черной дыры и аккреционного диска закручивается и магнитное поле, которое приобретает спиралевидную форму. Небольшой наклон вращения аккреционного диска относительно оси вращения сверхмассивной черной дыры может оказывать влияние на джет, например вызывать его прецессию и генерировать развитие в нем плазменных неоднородностей, которые мы наблюдаем в струе в М87.

Также неоднородна и яркость джета в радиогалактике М87. Снимки демонстрируют усиление яркости излучения к краю струи. Такое поведение можно интерпретировать либо разной скоростью, плотностью и энергией потока плазмы в центре и по краям, либо крупномасштабным спиральным магнитным полем. Все эти вопросы, в том числе о составе струи и механизмов генерации излучения в ней, пока остаются открытыми, до конца причины разной яркости потока не выяснены.