Прячущиеся в галактических центрах сверхмассивные черные дыры часто описывают в качестве космических чудовищ. Однако, это практически невидимые звери. Чтобы отыскать их, приходится измерять скорость газовых облаков, вращающихся вокруг них.
Однако иногда они заявляют о своем существовании, выпуская мощные струи, переносящие настолько огромные энергетические объемы, что способны затмить все свечение галактических звезд. Эти релятивистские струи – два потока плазмы, перемещающихся в противоположных направлениях на скоростях, приближенных к световой.
Но управляющая ими физика долгое время остается загадочной. Новое исследование пытается пролить свет на некоторые причины необычного внешнего вида струй. Их исключительность заключается во впечатляющей стабильности. Им удается вырваться из области размером с горизонт событий и отдалиться от галактики-хозяева, сохраняя при этом изначальную форму. Это соответствует длине, которая в миллиард раз превышает первоначальный радиус. Просто представьте, как водный фонтан вырывается из шланга с шириной в 1 см и остается стабильным в течение 10000 км.
Но на большой удаленности струи теряют свою согласованность и развивают вытянутые структуры, которые часто напоминают вихри. А значит, они подвержены некой нестабильности, меняющей внешний вид.
Дихотомия струи
Первую астрофизическую реактивную струю в 1918 году заметил Гебер Кертис. Он определил, что явление должно было обладать связью с ядром эллиптической галактики М87.
В 1970-х гг. Берни Фанарофф и Джулия Райли сумели изучить огромное количество струй. Они поняли, что их можно поделить на 2 класса: те, чья яркость уменьшается с дистанцией, и те, чья яркость увеличивается по краям. Второй тип ярче первого в 100 раз. Оба наделены слегка различной формой в конце – первый напоминает вспыхивающий шлейф, а второй – узкий турбулентный поток.
Когда струйный поток получает ускорение от черной дыры, то достигает 99.9% показателей световой скорости. На такой скорости измеряемый внешним наблюдателем поток времени в струе замедляется, следуя специальной теории Эйнштейна. Различные части струи обмениваются между друг другом и таким образом защищают свою целостность.
При выбросе из черной дыры струя расширяется в сторону. Это расширение создает давление внутри струйной капли, а давление газа вокруг струи не уменьшается. В итоге, давление газа превышает давление внутри струи, а потом сжимается. В этот момент части струи сближаются и восстанавливают контакт. Если определенные области потеряли стабильность, то это может подействовать на весь луч.
Важно отметить и тот факт, что после расширения и сжатия поток движется не прямо, а по искривленной траектории. Изогнутые потоки, скорее всего, страдают от центробежной нестабильности, а значит формируют вихревые структуры.
Компьютерные модели показывают, что релятивистские струи теряют устойчивость именно из-за центробежной неустойчивости, которая изначально влияет лишь на их контакт с галактическим газом. Эта нестабильность настолько опасна, что струя не выдерживает и уступает турбулентной.
Изучение этих процессов позволит лучше понять впечатляющую стабильность астрофизических струй. Это также поможет разобраться в двух классах и причинах их появления.
