Релятивистская струя

Релятиви́стские стру́и, дже́ты (англ. Relativistic jet) — струи плазмы, вырывающиеся из центров (ядер) таких астрономических объектов, как активные галактики, квазары и радиогалактики. Впервые такая струя была обнаружена в 1918 году.

Обычно у объекта наблюдается две струи, направленные в противоположные стороны.

На настоящий момент релятивистские струи остаются недостаточно изученным явлением^[6][7]. Причиной появления таких струй часто является взаимодействие магнитных полей с аккреционным диском вокруг чёрной дыры или нейтронной звезды.

Первым такую струю обнаружил астроном Гебер Кёртис в 1918 году.

Позже физик Стивен Хокинг сумел доказать, что такие выбросы происходят из гипотетических чёрных дыр^{[источник не указан 770 дней]}.

Зафиксировано достижение подобной струи Земли — событие AT2022cmc, зафиксированное в начале 2022 года, по параметрам больше всего похожее на так называемое событие приливного разрушения (TDE) с релятивистскими струями^[8].

При наблюдении перемещения релятивистской струи на небесной сфере может возникнуть иллюзия движения со сверхсветовой скоростью^[9]. Однако возможно объяснение этого эффекта без нарушения принципов теории относительности.

Первое теоретическое обоснование этого явления было дано английским астрофизиком Мартином Рисом в 1966 году. Представим, что имеется выброс (струя) вещества из центра некоторого источника, движущийся с некоторой достаточно большой (но, естественно, досветовой) скоростью под тупым углом к лучу зрения (то есть более или менее в сторону наблюдателя). Для простоты будем считать центр объекта неподвижным относительно наблюдателя. Принимаемый сигнал от более близких к наблюдателю частей струи испускается в более поздние моменты времени, по сравнению с сигналом из неподвижного центра. Следовательно, измеряемая наблюдателем проекция скорости на картинную плоскость (то есть плоскость, перпендикулярную к лучу зрения) будет больше скорости, вычисляемой, когда ближняя часть струи и центр наблюдаются в один и тот же момент времени. При особенно удачной ориентации^[10] видимая скорость становится в ${\displaystyle \gamma =1/{\sqrt {1-(v/c)^{2}\,}}}$ (лоренц-фактор) раз больше истинной скорости движения v. В ряде случаев наблюдается лоренц-фактор порядка 10. Сверхсветовые источники, таким образом, являются доказательством существования релятивистских выбросов из ядер галактик и квазаров^[9]. Наблюдения методом радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами показали, что сверхсветовое движение компонент^{[уточнить]} очень типично для этих объектов^[11].

При самых первых попытках объяснения сверхсветового движения с помощью релятивистского направленного потока частиц возникло осложнение: удивительно большая доля компактных источников показывала сверхсветовое движение, в то время как на основании простых геометрических доводов получалось, что только несколько процентов таких объектов должно быть случайно ориентировано почти вдоль линии зрения. Присутствие симм��тричных протяжённых радиокомпонент предполагало, что они обеспечивались энергией от центрального источника двух симметричных лучей. Но трудно сравнить светимость приближающейся и удаляющейся (или даже стационарной) компонент. Это очевидное различие обычно обсуждается в контексте модели с двойным истечением^[12], когда излучение из ядра рассматривается как стационарная точка, где приближающийся релятивистский поток становится непрозрачным. Сверхсветовое движение наблюдается между этой стационарной точкой в сопле и движущимися волновыми фронтами или другими неоднородностями в выходящем релятивистском потоке.

Так называемые унифицированные модели, которые интерпретируют разнообразие наблюдаемых свойств как простые геометрические эффекты, оказались лишь частично успешными. В своей простейшей форме модели релятивистского прохождения лучей объясняют наблюдаемые отношения между кажущейся скоростью и доплеровским усилением светимости. Обсуждение сосредоточилось на природе объектов вне струи или родительской популяции^[13]. Считали, что радиогромкие квазары — это доплеровски усиленное подмножество гораздо большего числа оптически наблюдаемых квазаров, а в работе^[14] компактные источники рассматриваются как доплеровски усиленные компоненты протяжённых радиоисточников. Однако тщательные наблюдения радиоядер и выбросов не совместимы полностью с эффектами, ожидаемыми по простым моделям релятивистского выброса^{[15][16][17][18]}.

Компактные сверхсветовые выбросы всегда следуют в том же самом направлении, что и более протяжённые выбросы, включая, в некоторых случаях (напр., 3C 273 и M87), оптические выбросы. Таким образом, для толкования появления компактных выбросов, с одной стороны, как результата различного доплеровского усиления двустороннего по природе своей релятивистского потока, очевидно, необходимо, чтобы крупномасштабные струи тоже двигались с релятивистской скоростью. Это выглядело бы весьма странным, так как трудно представить, как релятивистский поток может продолжать движение без изменений до нескольких килопарсек в сторону от центра движения. Однако измерения фарадеевского вращения плоскости поляризации разных деталей протяжённых радиоисточников показывают, что наименьшее вращение наблюдается со стороны с выбросом, как и предполагалось, если струя видна только на ближайшей стороне за счёт дифференциального доплеровского усиления^[19].

В радиогалактике 3C 120 имеется также более прямое наблюдательное подтверждение того, что релятивистский поток продолжается, по меньшей мере, на несколько килопарсек в сторону от ядра^[20]. Дальнейшее осложнение связывается с очевидным распространением свойств от радио- к инфракрасному, оптическому и более высокоэнергетическим диапазонам электромагнитного спектра. Если светимость и морфология радиоисточников — это, прежде всего, результат объёмного релятивистского движения и ориентации, а не собственные свойства, то наблюдаемые характеристики на других длинах волн должны интерпретироваться аналогично. Но квазары с иначе направленными струями должны, тем не менее, иметь яркие линии собственного излучения в присутствии слабого континуума, а такие «голые» квазары не наблюдаются. Более того, неясно, как досветовые источники или источники, включающие и стационарные и сверхсветовые источники^[21], вписываются в эту простую схему.

Толкование релятивистского излучения также ставится под сомнение чрезвычайными свойствами ядер. Американский астроном Хэлтон Арп^[22] подчеркнул, что вряд ли вероятно, что уникальный объект 3С 120 просто случайно оказался правильно ориентированным, чтобы продемонстрировать сверхсветовое движение.

Аналогично уникален 3C 273; это ярчайший на небе квазар, на любых длинах волн. Априорная вероятность того, что этот уникальный объект правильно ориентирован вдоль линии зрения, чтобы наблюдалось сверхсветовое движение, мала, разве что, конечно, светимость в оптическом, инфракрасном, рентгеновском, и гамма-диапазонах также подвергается доплеровскому усилению. Но 3С 273 уникален даже по интенсивности своих линий эмиссии, и трудно вообразить сценарии, которые разрешили бы, чтобы эмиссия линий усиливалась объёмным релятивистским движением.

В связи со всем вышеизложенным, проблемы с наблюдением сверхсветовых скоростей в астрономии полностью ещё не разрешены.

• Гиперновая звезда
• Полярное струйное течение
• Чёрная дыра
• Процесс Блэнфорда — Знаека
• Блазар

• В. С. Бескин. Магнитогидродинамические модели астрофизических струйных выбросов (рус.) // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 2010. — Т. 180. — С. 1241—1278.
• В. В. Мусцевой, и др. Аккреционно-струйные системы: история, результаты, перспективы, Лекция XXXIII конференции «Физика Космoса», 23 января 2005
• Юрий Грановский, Загадка физики: джеты, или струи плазмы в ядрах галактик / Популярная механика, 20 января 2017
• Е. В. Деришев, В. В. Железняков, С. А. Корягин, Вл. В.Кочаровский, Релятивистские джеты в астрофизике / Природа № 3, 2007