Загадка галактичних масштабів, Темна матерія та темна енергія
Астрофізики спостерігають за джетами, як називають струмені, що вириваються із релятивістськими швидкостями з ядер активних галактик, уже кілька десятиліть. Але вивести спостереження на якісно новий рівень вдалося лише останні кілька років. Щоб отримати в хорошому кутовому дозволі зображення об'єкта, що знаходиться від нас на відстані тисяч, а то й мільйонів світлових років, використовується метод інтерферометрії з наддовгими базами, або VLBI (від англ. Very Long Baseline Interferometry ). «Цей метод дозволяє поєднувати спостереження різних обсерваторій, що знаходяться на великій відстані один від одного, тим самим створюючи щось на кшталт єдиного гігантського радіотелескопа», — розповідає Олена Нохріна, старший науковий співробітник МФТІ та керівник проекту «Дослідження поширення випромінювання у струменевих викидах. ядер галактик», який нещодавно отримав підтримку українського Фонду фундаментальних досліджень.
Раніше базові розміри «віртуальних» інтерферометрів не перевищували відстаней між континентами, але в 2011 році в рамках міжнародного проекту «Радіоастрон» на високоапогейну орбіту був запущений український супутник «Спектр-Р» з радіотелескопом з приймальною параболічною антеною діаметром перевершує знаменитий "Хаббл"). Апарат то наближається до Землі, то віддаляється на відстань 340 000 км - це майже стільки ж, скільки до Місяця, чиє гравітаційнетяжіння, до речі, використовується для повороту площини супутника орбіти.
Грандіозний наземно-космічний інтерферометр проекту «Радіоастрон», що вийшов у результаті, можна сказати, розкрив астрофізикам очі. Вперше за історію астрономічних спостережень вдалося досягти неймовірного кутового дозволу — до мільйонних часток секунди. З проектом співпрацюють десятки обсерваторій із Німеччини, Італії, Китаю, США, Японії. Науковий керівник «Радіоастрона» – наш співвітчизник Юрій Ковальов. Чим більше ми дізнаємося про влаштування джетів, тим дивнішими вони здаються. «На одній із конференцій Метт Лістер, найвідоміший астрофізик, який очолює програмуMojaveз моніторингу ядер кількох сотень активних галактик, говорив, що його турбують останні спостереження ядер, що ламають загальноприйняту модель фізичних параметрів та випромінювання джетів», — згадує Олена. Нохріна.
За мільйон світлових років
Давним-давно, в далекій-далекій галактиці вирували. ні, не «Зоряні війни», а значно масштабніші явища. Джети виникають у центрах молодих активних галактик, де обертаються надмасивні чорні дірки з масами порядку 106-109 мас Сонця. Типові відстані до них — гігапарсеки (1 парсек дорівнює 3,2616 світлового року), тому те, що ми спостерігаємо, відбувалося у минулому.
Спочатку астрофізикам здавалося, що джети з'являються досить просто. Молода галактика, в якій не закінчилися процеси формування зірок, сповнена різноманітними космічними «будівельними матеріалами» — газами, пилом, розрідженою плазмою. Чорна діра формує навколо себе так званий акреційний диск, у якому шари речовини труться одна об одну і, сповільнюючись, падають її поверхню. В якийсь момент настає межа, коли акреція більшане може продовжуватися. Оскільки зовнішні шари диска тиснуть на внутрішні, зайва речовина може викидатися тільки у двох напрямках, під та над диском, по осі обертання. «Але зараз ми бачимо, що така модель не дає повного уявлення про формування струменів, — нарікає Нохріна. — По-перше, вони надто вузькі. По-друге, надто швидкі. І нарешті, вони набагато яскравіші, ніж ми очікували. Чесно кажучи, часом здається, що ми не знаємо про джети взагалі нічого».
Як народжуються джети?Релятивістські струмені несуть куди більше енергії, ніж може дати речовину, що падає на чорну дірку. Звідки ж вона береться, і як саме влаштована центральна машина, що народжує джет?
Втім, навіть наскільки струмені вузькі, питання, як і раніше, відкрите. За допомогою «Радіоастрона» було виміряно «сопла» джетів, тобто тих місць, де вони виникають. Вийшло приблизно третина парсека, тобто майже світловий рік. Звідси, до речі, випливає, що науково-популярні малюнки, на яких із полюсів чорної діри вириваються різкі плазмові струмені, — чистої води художня фантазія. Якщо правильно відмасштабувати ширину струменя, саму дірку і навіть «бублик» акреційного диска навколо неї просто не розглянути. Тим не менш, оскільки довжина Джета може перевищувати мільйон світлових років, у космічних просторах це тоненька ниточка.
Зайва енергія
«Одна з важливих проблем — чи черпається енергія джетів із поглиненої чорною діркою речовини, чи її джерелом може бути енергія обертання самої дірки, — продовжує Олена. — Найближче до пояснення цього феномену підійшли британські астрофізики Роджер Блендфорд і Роман Знаек, але сьогодні їхня модель безперервно доповнюється».
Загалом механізм Блендфорда-Знаєка такий. Речовина навколо дірки перетворюється на сильно намагнічену плазму,яка тече магнітними силовими лініями, як по проводках, не маючи можливості відхилитися в бік. Швидкості на екваторі вищі, ніж на полюсах, тому виходить щось на кшталт уніполярного індуктора. Його магнітний контур має форму «пляшкового шийки», з якого назовні вириваються струми, що рухаються силовими лініями, закрученими в «джгути». Частина енергії такого викиду забирається в самої дірки, уповільнюючи її обертання.
Можливо, «Радіоастрон» дозволить вирішити, яка модель ближча до реальності. Втім, те, що відбувається із джетами після формування, все одно залишається загадкою. «Ми не знаємо, з чого складається потік, у спектрі випромінювання немає ліній, які відповідають якійсь речовині, — каже Олена Нохріна. — У більшості моделей це електрон-позитронна плазма, яка тече вздовж силових електромагнітних ліній, але не факт, що там ще немає чогось». Якщо колись вдасться проникнути поглядом усередину релятивістських (тобто струменів, що мчать на навколосвітлових швидкостях), ми зможемо розгадати ще одну загадку, що схвилювала астрофізиків зовсім недавно.
Дивна катастрофа
Світність джетів прийнято вимірювати в кельвінах, порівнюючи її з випромінюванням абсолютно чорного тіла, нагрітого до відповідної температури. Теоретичні моделі не допускають, щоб світність релятивістського потоку перевищувала 5000 млрд. К. При переході через цю межу відбувається так звана Комптонівська катастрофа. У потоці електрони, розігнані до близьких до світлових швидкостей, обертаються в магнітному полі викиду і випромінюють синхротронні фотони, які, своєю чергою, розсіюються на сусідніх електронах і через їхню величезну швидкість в релятивістському потоці не втрачають енергію, як при класичному ефекті. Комптони, а, навпаки, набувають додаткової. При досягненнідеякої критичної концентрації процес «зворотного Комптону» стає настільки ефективним, що струмінь починає охолоджуватися через втрати енергії, яку забирає гамма-випромінювання.
Чому такі джети яскраві?Спостереження в надвисокій роздільній здатності показали, що деякі джети на порядок гарячіше, ніж допускають теоретичні розрахунки. Можливо, крім електрон-позитронної плазми всередині них є ще щось?
Хоча йдеться про гігантські струмені, процес дуже швидкий — все відбувається буквально за один-два дні, тому спостерігати його на власні очі поки не вдалося. Зате виявилося щось прямо протилежне. Температура відразу кількох потоків, що вириваються з ядер активних галактик, виявилася на порядок вищою за «дозволену» — в районі 20–40 трлн К! Це було так вражаюче, що багато хто навіть заговорив про необхідність створення «нової фізики» для опису явищ, що настільки суперечать сучасним астрофізичним законам. «Можливо, ми неправильно враховуємо доплерівські ефекти, а може, існує ще якийсь процес, який компенсує „зворотний Комптон“, коли синхротронні фотони все ж таки передають енергію часткам», — розводить руками Нохріна.
Радіоспостереження у високій роздільній здатності сильно змінили уявлення про джети. На малих масштабах це виявились не безперервні струмені, а окремі рухливі «острова» випромінюючої речовини. А у джета з галактики М87, яка розташована за 16 мегапарсеків від нас, навіть вдалося «побачити» обертання викиду.
Звідки беруться "вуха"?Нехай точно не відомо, як джети набирають настільки величезні швидкості, зате ми добре вивчили результат цієї гонки. На відстані тисяч світлових років від місця свого народження релятивістський струмінь розсіюється на частинки міжзоряного пилу, утворюючи гігантські хмари.
Знімки, переведені з радіодіапазону в оптичний, вражають своєю барвистістю. «Одне з найкрасивіших явищ у Всесвіті – це ударні хмари, або „радіовуші” на нашому професійному жаргоні, – натхненно розповідає Олена. — Матерія, винесена з джетів, розсіюється на космічному пилу, внаслідок чого з'являються гігантські об'єкти радіовипромінювання». Спостереження джетів — аж ніяк не данина суто наукової цікавості та почуття прекрасного астрофізиків. Заглядаючи в найдальші куточки Всесвіту, ми постійно дізнаємося щось нове про властивості простору-часу та гравітації. І про себе.