Relativistiskās plazmas strūklas: no melnajiem caurumiem līdz kvazāriem
Atklāj relativistiskās plazmas strūklas — to rašanos, sastāvu un lomu no melnajiem caurumiem līdz kvazāriem; ietekme uz gamma staru uzliesmojumiem.
Relativistiskās strūklas ir ļoti spēcīgas plazmas strūklas, kuru ātrums ir tuvu gaismas ātrumam. Tos izstaro dažu aktīvu galaktiku centrālie melnie caurumi (īpaši radiogalaktikas un kvazāri), kā arī masīvu zvaigžņu un neitronuzvaigžņu melnie caurumi. To garums var sasniegt vairākus tūkstošus vai pat simtiem tūkstošu gaismas gadu.
Ja strūklas ātrums ir tuvs gaismas ātrumam, īpašās relativitātes teorijas ietekme ir būtiska. Par to, kā rodas strūklas un no kā tās veidojas, joprojām notiek diskusijas. Reaktīvo sprauslu sastāvs var atšķirties.
Masīviem galaktikas centrālajiem melnajiem caurumiem ir visspēcīgākās strūklas. Līdzīgas daudz mazāka mēroga sprauslas rodas arī no neitronu zvaigznēm un melnajiem caurumiem citās zvaigznēs. Vēl vājākas un mazāk relativisuma sprauslas var būt saistītas ar daudzām divējādām zvaigžņu sistēmām.
Astrofiziķi izvirza vispārēju hipotēzi, ka tieši relatīvisma sprauslu veidošanās ir galvenais faktors, kas izskaidro gamma staru uzliesmojumu rašanos. Šiem sprauslām Lorenca koeficients ir ~ 100 vai lielāks (t. i., ātrums pārsniedz aptuveni 0,99995c), kas padara tās par vieniem no ātrākajiem pašlaik zināmajiem debess objektiem.
Kā rodas relativistiskās strūklas?
Vispārināti runājot, relativistiskās strūklas rodas, kad intensīva gravitācijas un magnētiskā lauka mijiedarbībā tiek izvadīta liela daudzuma enerģija sakārtotā plazmas plūsmā. Galvenie mehānismi, kas tiek apsvērti teorētiski un novērojumu interpretācijās, ir:
- Blandford–Znajek process: magnētiskie lauki, kas sasaistīti ar rotējošu melno caurumu, izvada melnā cauruma rotācijas enerģiju uz ārpusi un tādējādi dzirda strūklas.
- Blandford–Payne diskam balstīts mehānisms: magnētiskie lauki, kas ieskauj akrecijas disku, var "izstumt" materiālu no diska ārā, ja lauka līnijas ir pietiekami stāvas — šādi tiek palaistas un kolimatētas strūklas no akrecijas reģiona.
Abos gadījumos svarīga loma ir magnētiskā lauka konfigurācijai, akrecijas plūsmas stiprumam un melnā cauruma griešanās ātrumam. Precīzie attiecīgie parametri un pārejas starp magnētiski dominētām un plazmas dominētām zonām joprojām ir aktīvs pētījumu lauks.
Strūklu sastāvs un režīms
Strūklas var būt leptoniskas (galvenokārt elektron-pozitronu pāri) vai baryoniskas (elektroni un protoni). No sastāva ir atkarīgi radiācijas mehānismi, masa un enerģijas pārnese:
- Leptoniskas strūklas ir vieglāk sasniegt ļoti augstus Lorenca faktorus, jo pārvietošanai nepieciešamā inerce ir mazāka.
- Baryoniskas strūklas satur vairāk materiāla un var nest lielāku kustības momentu, bet to paātrināšana līdz ļoti lieliem Lorenca faktoriem prasa vairāk enerģijas.
Novērojumi un pierādījumi
Relativistiskās strūklas izpaužas dažādos viļņu garumos un ar daudzām īpašībām, kuras ļauj tās pētīt:
- Radioastronomija (VLBI): sniedz attēlus ar augstu izšķirtspēju, kur redzamas smailes, mezgli (knot) un liekumi. Arī fenomeni kā superlumināra kustība (parādība, ko rada projekcijas un relativistiskie efekti) tiek bieži novēroti.
- Polarizācija: sinhronās radiācijas polarizācijas mērījumi atklāj magnētisko lauku struktūru un pakāpi, kādā strūklas ir magnetizētas.
- Daudzviļņu garumu radiācija: sinhronā radiācija radio–optika–X-stari un inveršā Compton sprādzieni, kas var radīt gamma starus blazaru un kvazāru gadījumos.
- Variabilitāte: strūklas var mainīt spilgtumu ļoti īsā laikā, kas liecina par ļoti kompaktiem emiteriem un augstiem Lorenca faktoriem.
Enerģētika, kolimācija un mijiedarbība ar vidi
Relativistiskās strūklas spēj pārnest milzīgu enerģijas daudzumu uz lieliem attālumiem. Tās ietver šādas īpašības:
- Kolimācija: magnētiskie lauki un ārējā spiediena gradients no apkārtējās vides palīdz noturēt strūklu šauru uz lieliem attālumiem.
- Terminācijas zonas un lobes: kad strūklas materiāls saskaras ar intergalaktisko vidi, veidojas terminiācijas šoki, kas baro radio lobes un "hotspot" reģionus radiogalaktikās.
- Atgriezeniskā saite: spēcīgas strūklas var ietekmēt mātesgalaktikas attīstību (feedback), apturot vai veicinot zvaigžņu veidošanos, izkustinot gāzi un mainot temperatūru.
Relācija ar gamma staru uzliesmojumiem un citiem objektiem
Relativistiskās strūklas nav tikai lielu galaktiku īpašība. Tās parādās arī citos mērogos:
- Gamma staru uzliesmojumi (GRB): īslaicīgos GRB gadījumos tiek uzskatīts, ka augsti relativistisks jets (Lorenca faktors ~ 100–1000) izraisa sākotnējo gamma izplūdi, bet vēlākā fāze (afterglow) rodas no šoka mijiedarbības ar apkārtējo vidi.
- Microquasars un X‑jonu bināri: zvaigžņu masu melnie caurumi un neitronzvaigznes var ražot tā sauktās "mikroquasar" strūklas — mazas, bet fiziski līdzīgas sistēmas, kas ļauj pētīt procesus ātrākā laika skalā.
Atvērtie jautājumi un pētniecības virzieni
Pat ar plašu novērojumu klāstu un progresu numeniskajās simulācijās daudzi jautājumi paliek neatbildēti:
- Kā tieši magnētiskā lauka konfigurācija attīstās no akrecijas diska līdz ļoti attālām strūklas daļām?
- Kāds ir precīzs strūklu sastāvs un kā tas mainās pa strūklas garumu?
- Kādi ir efektīvākie daļiņu paātrināšanas mehānismi, kas rada novēroto sinhrono un nepārstāvoto radiāciju?
- Kā tieši melnā cauruma spins un akrecijas ātrums nosaka strūklas jaudu un ilgumu?
Kopsavilkums
Relativistiskās plazmas strūklas ir viena no enerģiskākajām un dinamiskākajām parādībām Visumā. Tās saista melnos caurumus un akrecijas procesus ar tāliem intergalaktiskiem reģioniem, radot redzamas struktūras radio, optiskajos un augstas enerģijas viļņu garumos. Izpēte apvieno novērojumus visos viļņu garumos, teorētisku fizikālās plazmas modelēšanu un relativitātes efektu analīzi, un turpmākie pētījumi palīdzēs skaidrot, kā tieši enerģija tiek izvadīta un kāda ir šo strūklu loma galaktiku un Visuma evolūcijā.
Relatīvistiskā strūkla. Vide ap AGN, kurā relatīvisma plazma kolimējas strūklu veidā, kas izplūst gar supermasīva melnā cauruma polu.
Elipsveida galaktika M87, kas izstaro relatīvisma strūklu, kā redzams ar Hubeļa kosmisko teleskopu
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir relatīvisma strūklas?
A: Relatīvistiskās sprauslas ir ļoti spēcīgas plazmas sprauslas, kuru ātrums ir tuvs gaismas ātrumam.
J: No kurienes rodas relatīvisma strūklas?
A: Relatīvistiskās sprauslas izstaro dažu aktīvu galaktiku centrālie melnie caurumi (īpaši radiogalaktikas un kvazāri), kā arī masīvu zvaigžņu un neitronu zvaigžņu melnie caurumi.
J: Kāds ir relatīvisma sprauslu garums?
A: Relativistisko sprauslu garums var sasniegt vairākus tūkstošus vai pat simtiem tūkstošu gaismas gadu.
J: Kas ir nozīmīgs relatīvisma sprauslu ātrumā?
A: Ja strūklas ātrums ir tuvs gaismas ātrumam, tad īpašās relativitātes teorijas ietekme ir būtiska.
J: Kāds ir relatīvisma strūklu sastāvs?
A: Par to, kā rodas strūklas un no kā tās sastāv, joprojām notiek diskusijas. Strūklu sastāvs var atšķirties.
J: Kāda ir astrofiziķu hipotēze par relatīvisma sprauslu veidošanos?
A: Astrofiziķu vispārējā hipotēze ir tāda, ka relativistisko sprauslu veidošanās ir galvenais, lai izskaidrotu gamma staru uzliesmojumu rašanos.
J: Cik ātri var pārvietoties relatīvisma strūklas?
A: Šiem reaktīvajiem sprauslām Lorenca koeficients ir ~100 vai lielāks (tas ir, ātrums pārsniedz aptuveni 0,99995c), un tas tos padara par vieniem no visātrākajiem pašlaik zināmajiem debesu objektiem.
Meklēt