Моделирование струй плазмы - джетов, создаваемых сверхмассивными дырами в центрах галактик, объяснило, почему в одних случаях они покидают галактики, а в других нет.

Джетами называют огромные струи плазмы, вырывающиеся с околосветовой скоростью из центра некоторых галактик. По современным представлениям они возникают из-за падения вещества на сверхмассивные черные дыры в центрах галактик. Взаимодействие аккреционного диска из этого вещества, окружающего вращающуюся черную дыру, с ее магнитным полем и порождает струи. Джеты – мощнейший источник излучения в различных диапазонах. 

Схема возникновения джета (релятивистской струи) в галактике (ru.wikipedia.org)

Кадр из видео, иллюстрирующего результаты моделирования джетов для сильного магнитного поля (вверху) и слабого (внизу). Верхняя струя покинет галактику, нижняя – нет.

Пример распадающегося джета в галактике М87, имеющей центральную черную дыру с массой около 6 миллиардов Солнц. Это одна из ближайших к Земле таких струй, она находится на расстоянии около 50 миллионов световых лет (ru.wikipedia.org).

Джет в радиогалактике Лебедь A, расположенной примерно в 600 миллионов световых лет от Земли, является примером мощных струй пробивающихся в межгалактическое пространство. Изображение на частоте 5 ГГц (ru.wikipedia.org).

Однако механизм образования джетов и их излучения еще недостаточно изучен. В частности, непонятно, почему  в одних галактиках подобные джеты мощны и превращают их в ярчайшие маяки, видимые с огромных расстояний, а в других струи слабые и быстро распадаются, даже не доходя до края галактики. На этот вопрос ответила статья американских астрономов, опубликованная в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Руководитель работы – один из ведущих в мире специалистов по физике джетов, выпускник МФТИ Александр Чеховской.

Исследователи провели трехмерное моделирование процессов, которые происходят в струе при взаимодействии ионизированных частичек плазмы с магнитным полем. Самым важным было объяснить причину, по которой струи распадаются. Ранее астрономы предполагали, что это происходит, например, из-за красных гигантов, которые  встречаются на пути струи. Авторы же данной работы обнаружили, что джет может развалиться без какого-либо внешнего воздействия, только из-за физики самой струи. Виновником этого будет так называемая неустойчивость плазмы в магнитном поле. Струя как бы начинает покачиваться в некоторых местах. Если это раскачивание происходит быстрее, чем газ в струе проходит от ее начала до конца, то струя разрушится. Если медленнее, то останется стабильной.

Астрофизики сравнили джет с макарониной, которая проходит через отверстие во вращающемся диске. Это закручивает ее подобно пружине. Закрученные, свернутые магнитные поля в ней действуют подобно гибкому сверлу, пытающемуся проникнуть в окружающий газ. Если струя недостаточно сильна, то становится узкой, склонной к перегибам и преломлениям. При этом горячий ионизированный газ извергается в галактику, как правило, нагревая ее. Мощные, более широкие струи способны пробить окружающий газ и выйти в межгалактическую среду. Определяющими факторами для этого будут сила струи, быстрота падения плотности газа с увеличением расстояния и, как правило, массы и радиуса ядра галактики.

Процесс, генерирующий струи, может возникать и останавливаться через 10-100 миллионов лет, о чем говорят наблюдения у некоторых галактик двух джетов, один из которых старый и «оборванный».

Ответ на вопрос о природе нестабильности струи может пролить свет и на развитие самих галактик и их центральных черных дыр. Нестабильные струи сообщают галактике много энергии, разогревая находящийся в ней газ. Это замедляет его падение на черную дыру и звездообразование. Целый ряд механизмов при этом ограничивает рост черных дыр. Кроме того, разработанная модель может помочь астрономам понять и другие типы джетов, например, генерируемые отдельными звездами, что мы видим, как гамма-всплески или пульсары.

По материалам Королевского астрономического общества.
Там же можно посмотреть видео с результатами моделирования.