Интересная физика струй сверхмассивных черных дыр
16:42 05/03/2018
0 👁 979
Прячущиеся в галактических центрах сверхмассивные черные дыры часто описывают в качестве космических чудовищ. Однако, это практически невидимые звери. Чтобы отыскать их, приходится измерять скорость газовых облаков, вращающихся вокруг них.
Однако иногда они заявляют о своем существовании, выпуская мощные струи, переносящие настолько огромные энергетические объемы, что способны затмить все свечение галактических звезд. Эти релятивистские струи – два потока плазмы, перемещающихся в противоположных направлениях на скоростях, приближенных к световой.
Но управляющая ими физика долгое время остается загадочной. Новое исследование пытается пролить свет на некоторые причины необычного внешнего вида струй. Их исключительность заключается во впечатляющей стабильности. Им удается отдалиться от галактики-хозяева, сохраняя при этом изначальную форму. Это соответствует длине, которая в миллиард раз превышает первоначальный радиус. Просто представьте, как водный фонтан вырывается из шланга с шириной в 1 см и остается стабильным в течение 10000 км.
Но на большой удаленности струи теряют свою согласованность и развивают вытянутые структуры, которые часто напоминают вихри. А значит, они подвержены некой нестабильности, меняющей внешний вид.
Дихотомия струи
Первую астрофизическую реактивную струю в 1918 году заметил Гебер Кертис. Он определил, что явление должно было обладать связью с ядром эллиптической галактики М87.
В 1970-х гг. Берни Фанарофф и Джулия Райли сумели изучить огромное количество струй. Они поняли, что их можно поделить на 2 класса: те, чья яркость уменьшается с дистанцией, и те, чья яркость увеличивается по краям. Второй тип ярче первого в 100 раз. Оба наделены слегка различной формой в конце – первый напоминает вспыхивающий шлейф, а второй – узкий турбулентный поток.
Когда струйный поток получает ускорение от черной дыры, то достигает 99.9% показателей световой скорости. На такой скорости измеряемый внешним наблюдателем поток времени в струе замедляется, следуя специальной теории Эйнштейна. Различные части струи обмениваются между друг другом и таким образом защищают свою целостность.
При выбросе из черной дыры струя расширяется в сторону. Это расширение создает давление внутри струйной капли, а давление газа вокруг струи не уменьшается. В итоге, давление газа превышает давление внутри струи, а потом сжимается. В этот момент части струи сближаются и восстанавливают контакт. Если определенные области потеряли стабильность, то это может подействовать на весь луч.
Важно отметить и тот факт, что после расширения и сжатия поток движется не прямо, а по искривленной траектории. Изогнутые потоки, скорее всего, страдают от центробежной нестабильности, а значит формируют вихревые структуры.
Компьютерные модели показывают, что релятивистские струи теряют устойчивость именно из-за центробежной неустойчивости, которая изначально влияет лишь на их контакт с галактическим газом. Эта нестабильность настолько опасна, что струя не выдерживает и уступает турбулентной.
Изучение этих процессов позволит лучше понять впечатляющую стабильность астрофизических струй. Это также поможет разобраться в двух классах и причинах их появления.