Исследователи из Московского физико-технического института, Физического института им. Лебедева РАН и Крымской астрофизической обсерватории предложили новое понимание природы джетов — струй плазмы, которые на скорости, близкой к световой, вырываются из сверхмассивных чёрных дыр в центре некоторых галактик. Статья с результатами исследований опубликована в журнале Monthly Notices of Royal Astronomical Society.
По современным представлениям, джеты образуются, когда вещество из звёзд или газовых облаков устремляется в гравитационную яму сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики. При этом материя образует дискообразную структуру — так называемый аккреционный диск. Взаимодействие этой массы и магнитного поля чёрной дыры порождает мощный выброс, который в виде узкой струи устремляется в космос. Длина такого выброса достигает сотен и тысяч световых лет.
Изображение релятивистского джета в галактике М87, полученное с помощью наземно-космического интерферометра Радиоастрон на частоте 1668 МГц.
Московские и крымские учёные на основе наблюдений, сделанных современными космическими телескопами, предложили новаторский подход к определению физических параметров, определяющих активность этих объектов. Причём оказалось, что выдвинутая гипотеза хорошо сочетается с другими знаниями об этих космических объектах и укладывается в математические уравнения.
«Раньше предполагали, что джет имеет коническую форму, расширяясь по мере удаления от своего ядра — основания. Причём считалось, что плазма в джете разогнана в начале до максимальной скорости и на всём его протяжении распространяется равномерно. Однако ранее мы показали, что, наоборот, джет имеет форму параболы, а вещество в нём не движется равномерно, а разгоняется на каждом этапе пути. Эти данные существенно противоречат общепринятому методу оценки магнитного поля в джетах. В нашей новой работе мы предложили такой метод определения магнитного поля в джетах, который согласован с новой картиной формы джетов и ускорения плазмы в них. Хотя этот метод требует больше наблюдательных данных, он позволяет легко экстраполировать величину поля с парсековых масштабов на масштабы гравитационного радиуса, то есть заглядывать в самое сердце активной машины», — объяснила суть новых предположений Елена Нохрина, заведующая лабораторией фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ, старший научный сотрудник отдела теоретической физики ФИАН.
Она отметила, что новые данные позволили усовершенствовать способ, который астрофизики прежде использовали для расчёта свойств джетов — так называемый метод сдвига ядра. Он заключается в том, что основание джета, если смотреть на него в радиодиапазоне, как правило, смещено от своего истинного положения.
При этом, в зависимости от частоты радиоволн, это видимое местонахождение меняется. В результате новаторская модель джета, заложенная в традиционную методику расчёта, позволила учёным с высокой точностью определить энергию магнитного поля ряда сверхмассивных чёрных дыр, из которых вырываются джеты.
Для примера учёные приложили своё понимание природы джета к галактике М87 и квазару NGC 315. Эти объекты хорошо изучены в ходе реализации международного проекта Телескопа горизонта событий и по данным наблюдений на других интерферометрах со сверхдлинными базами. Сделанные расчёты показали, что новая теория хорошо сочетается с прежде известными данными.
Как считают авторы научной работы, предложенная модель не только поможет в изучении сверхмассивных чёрных дыр и их джетов, но также даст возможность открыть новые экзотические объекты, которые в настоящее время существуют в виде гипотез.
«В частности, известно, что скопления вещества в аккреционном диске вокруг чёрной дыры не могут образовать магнитные поля с энергией более 104 Гс (гаусс). Значит, усовершенствованный нами метод сдвига можно использовать как индикатор. Если мы зафиксируем объекты с энергией магнитного поля, которая превышает этот уровень, то можем предположить наличие новых, неизвестных прежде форм пространства-времени», — пояснила Елена Нохрина.
Например, считает учёный, благодаря более точному пониманию природы джета астрофизики получат новый инструмент для поиска в космосе таких высокоэнергетических объектов, как «кротовые норы», или, как их называют за рубежом, «червоточины». Это гипотетические «тоннели», которые из-за неравномерности пространства-времени могут напрямую соединять удалённые точки Вселенной.
Другой тип объектов, неизвестных науке, которые можно обнаружить, используя предложенные модели, — это кварковые звёзды. Так астрофизики называют гипотетические массивы в космосе, которые состоят не из атомов, а из кварков — самых элементарных «кирпичиков» материи.
В ближайшей перспективе новая модель джетов может быть полезна при подготовке научной программы российской космической обсерватории «Спектр-М», запуск которой запланирован в начале 2030 годов. Одна из задач этой миссии — поиск «кротовых нор» в квазарах.