VIVOS VOCO: Е.В.Деришев, В.В.Железняков, С.А.Корягин, Вл.В.Кочаровский, "Релятивистские джеты в астрофизике"

Релятивистские джеты в астрофизике

Е.В.Деришев, В.В.Железняков, С.А.Корягин, Вл.В.Кочаровский

Евгений Владимирович Деришев, к.ф.-м.н., с.н.c. отдела астрофизики и физики космической плазмы ИПФ РАН.

Владимир Васильевич Железняков, академик, д.ф.-м.н., зав. отд. астрофизики и физики космической плазмы ИПФ.

Сергей Александрович Корягин, к.ф.-м.н., с.н.с. того же отдела.

Владимир Владиленович Кочаровский, член-корр. РАН, д.ф.-м.н., зав. сект. плазменной астрофизики ИПФ.

Плазменное состояние вещества, свойства которого определяются движением и излучением несвязанных электрически заряженных частиц (электронов, позитронов, протонов, ионов и др.), непросто создать в лабораториях, но оно является типичным в космических условиях - и в звездах, и в межзвездной среде. В Институте прикладной физики РАН исследуются свойства как лабораторной, так и космической плазмы. Основное внимание здесь уделяется механизмам генерации и эффектам распространения излучения - от радио до гамма-диапазона - в магнитосферах планет, звезд и других астрофизических объектов. Вблизи компактных объектов, например черных дыр, нейтронных звезд или коллапсирующих ядер массивных звезд, условия существования плазмы экстремальны. Она может быть сильно неравновесной, создавать мощные электромагнитные поля, а ее собственное движение, как и относительное движение составляющих ее частиц, может оказаться релятивистским, т.е. характеризоваться скоростями, близкими к скорости света в вакууме. Подобная плазма часто наблюдается в виде струйных выбросов, называемых джетами (от англ. jet).

Салютуют черные дыры

Наша Галактика находится на окраине типичного скопления галактик, в центре которого располагается большая эллиптическая галактика M87. Еще в начале прошлого века астроном Х.Куртис разглядел на правильном эллиптическом профиле M87 "странный прямой луч". Позднее выяснилось, что луч представляет собой струю, или джет, бьющую из центра галактики. Великолепное оптическое изображение этого джета было получено космическим телескопом "Хаббл" (рис.1). Наилучшим образом джет виден в радиодиапазоне, где не мешает излучение звезд. Джет просматривается начиная с расстояния порядка парсека от центра M87, сравнимого с дистанцией между звездами, вплоть до нескольких десятков килопарсеков, что даже больше диаметра галактики. Радиоизображения свидетельствуют о наличии двух джетов, вытекающих в противоположные стороны. Джеты снабжают высокоэнергичными частицами широко разнесенные протяженные области радиоизлучения. Линейный размер последних превышает диаметр звездной составляющей галактики, видимой в оптическом диапазоне. Именно эти области дают основной вклад в общее мощное радиоизлучение M87, благодаря которому ее относят к радиогалактикам.

Рис. 1. Джет в галактике M87.
Оптическое изображение, полученное космическим телескопом "Хаббл" (слева),
и радиоизображения, полученные радиотелескопами VLA и VLBI (справа).

Подобные галактики имеют активные ядра, среди которых астрономы выделяют несколько типов [1-4]. Тип определяется как степенью активности ядра, так и ориентацией его структурных элементов (рис.2) относительно луча зрения. Излучение активного ядра составляет заметную долю излучения остальной части галактики, а в квазарах даже превышает этот уровень.

Мощное излучение активных ядер галактик связано с аккрецией, т.е. падением вещества (газа) на их центральную часть. По современным представлениям, там должна находиться сверхмассивная черная дыра с массой, достигающей миллиардов масс Солнца. Падающее на черную дыру вещество разогревается, ионизуется и образует так называемый аккреционный диск. В диске вещество (плазма) движется практически по круговым орбитам и, медленно перемещаясь с одной орбиты на другую, приближается к черной дыре. Из центральной части галактики бьют две симметричные плазменные струи - джеты. Таким образом, черная дыра, аккреционный диск и пара джетов - основные структурные элементы активного ядра галактики. Джеты излучают в широком диапазоне длин волн: от радио- до рентгеновского и даже гамма-диапазона.

Рис. 2. Основные структурные элементы активного ядра галактики и микроквазара:
джеты, аккреционный диск и центральная черная дыра.

В радиодиапазоне, где наблюдается большинство джетов, преобладает синхротронное излучение электронов и, возможно, позитронов, если последние также присутствуют в джете. Синхротронное излучение - это электромагнитное излучение релятивистских заряженных частиц, которое обусловлено их вращением в магнитном поле и имеет характерные частоты, пропорциональные квадрату энергии частиц. Поскольку в джете есть электроны с самой разной энергией, его синхротронное излучение распределено в очень широком интервале частот, допускающем наблюдения самыми различными приборами.

Электромагнитное излучение помимо интенсивности характеризуется также направлением электрического поля в волне, или поляризацией. В синхротронном излучении электрическое поле направлено перпендикулярно статическому магнитному полю, в котором вращается электрон. Поэтому по поляризации наблюдаемого радиоизлучения джета можно определить направление магнитного поля в нем. В ряде случаев оказалось, что магнитное поле джета имеет винтовую структуру.

Излучение многих активных ядер галактик сосредоточено на очень высоких частотах - в гамма-диапазоне. Здесь оно обусловлено рассеянием относительно низкочастотного излучения на высокоэнергичных (релятивистских) электронах (обратный эффект Комптона). Энергия на гамма-излучение в основном берется из энергии электронов, а не из низкочастотного излучения, поэтому поток гамма-излучения может сильно превышать поток излучения на низких частотах. К данному вопросу мы еще вернемся ниже, обсуждая механизмы излучения джетов.

БОльшая часть джетов, видимых в активных ядрах галактик, направлена на наблюдателя (такие объекты называют блазарами). На самом деле это результат наблюдательной селекции: видимая яркость релятивистского джета сильно возрастает для того наблюдателя, чей луч зрения близок к его оси, позволяя регистрировать более далекие - и более многочисленные - объекты. Данный эффект обусловлен релятивистской аберрацией света и имеет место для излучения, порождаемого высокоэнергичными частицами, которые движутся вместе с плазмой джета и в ее системе отсчета распределены по скоростям изотропно. Однако в гамма-диапазоне излучение джетов можно видеть и под большим углом к их оси (см. ниже).

Яркая особенность джетов, за которую их называют релятивистскими, - высокая скорость движения v, близкая к скорости света c, так что соответствующий лоренц-фактор G = (1 - v²/c²)^-1/2 много больше единицы. Это проявляется в кажущемся "сверхсветовом" разлете отдельных частей джета относительно неподвижного ядра [2, 5]. Конечно, на самом деле джет не движется со скоростью больше скорости света. Просто для релятивистских объектов обычная методика расчета скорости их перемещения по небесной сфере, не учитывающая конечной величины c, дает завышенные во много раз значения. Эффект "сверхсветового" разлета регистрируется в джетах, движущихся к наблюдателю под малым углом к лучу зрения; его происхождение объяснено на рис.3.

Рис. 3. Измерение скорости объекта, движущегося в сторону наблюдателя.

Если источник излучения посылает нам световые импульсы из двух последовательных точек 1 и 2 на своем пути в моменты времени t₁ и t₂, то его истинная скорость движения поперек луча зрения равна v_^ = L_^/(t₂ - t₁). Скорость же перемещения видимого на Земле изображения равна отношению L_^ к интервалу времени t₂’ - t₁’ между моментами приема сигналов на Земле: v_^^obs = L_^/(t₂’ - t₁’ ). Если источник смещается в сторону Земли почти с той же скоростью, что и свет, то интервал t₂’ -t₁’ оказывается значительно короче, чем интервал t₂ - t₁. Указанное различие временнЫх интервалов и приводит к кажущейся "сверхсветовой" скорости разлета.

В 1992 г. в нашей Галактике был обнаружен объект GRS1915+105, удивительно напоминающий квазар и имеющий несимметричные джеты, яркие пятна в которых движутся со "сверхсветовой" скоростью [5]. Объект считается аккрецирующей черной дырой в составе двойной звездной системы. Сейчас известно более десяти подобных систем (их относят к классу так называемых рентгеновских двойных, причем роль аккрецирующей компоненты может играть и нейтронная звезда) [6]. По своему строению они похожи на активные ядра галактик, однако масса черной дыры в них составляет лишь несколько масс Солнца, и источником аккрецируемого вещества служит не межзвездный газ, а соседняя звезда-компаньон. Ввиду своего внешнего сходства с квазарами (при огромной разнице в размерах) такие объекты назвали микроквазарами. Для них также характерны плазменные выбросы в виде джетов и мощное электромагнитное излучение в диапазоне от радиоволн до рентгеновских лучей.

Джеты интенсивно взаимодействуют с межзвездной и межгалактической средой. Места столкновения джета с межгалактической средой отличаются повышенной яркостью и видны как яркие точки в вершинах протяженных областей радиоизлучения (рис.4).

Рис. 4. Столкновение джетов радиогалактики Лебедь А с межгалактической средой.
Изображение получено на телескопах Национальной радиоастрономической обсерватории в США (NRAO/AUI/NSF).

Совершенно иной пример релятивистских джетов дают источники гамма-всплесков [7]. В этом случае джеты никогда не наблюдались, а их существование следует из косвенных, хотя и весьма убедительных, аргументов. Природа данных источников достоверно не известна. Однако доказано, что они расположены на расстояниях, сравнимых с размерами видимой части Вселенной, и что за время типичного всплеска (несколько десятков секунд) должна выделяться энергия, сравнимая с энергией покоя Солнца (и это только в виде гамма-излучения!). Наиболее популярная модель связывает образование гамма-всплесков с быстрой аккрецией звездного вещества на черную дыру, возникающей при катастрофическом сжатии (коллапсе) ядра сверхновой. Их колоссальная наблюдаемая светимость (порядка 10⁵⁰-10⁵² эрг/c), на первый взгляд, не согласуется с малыми размерами источника: плотность фотонов в нем настолько высока, что они, взаимодействуя друг с другом, должны породить непрозрачное облако электрон-позитронных пар. Эту трудность можно преодолеть, если предположить, что к наблюдателю с релятивистской скоростью движется узкий излучающий джет. Тогда резко снижаются требования к величине светимости источников гамма-всплесков, удается объяснить многие свойства наблюдаемого излучения от гамма- до радиодиапазона, а также понять происхождение высокоэнергичных частиц, создающих это излучение (об этом чуть дальше).

В настоящее время не существует общепринятой точки зрения на механизм формирования джетов. Есть по крайней мере два качественно различных сценария. Первый вариант - джет формируется над аккреционным диском на большом расстоянии от черной дыры. Его рождает часть вещества аккреционного диска, которая не попадает в близкую окрестность черной дыры и выбрасывается благодаря магнитному полю в виде струи. В таком случае вещество джета почти не отличается по составу от вещества аккреционного диска и звезд - оно состоит из электронов и ионов (в основном протонов). Второй вариант - джет формируется вблизи черной дыры, которая полностью захватывает вещество аккреционного диска: джет образуют электрон-позитронные пары, возникающие в магнитосфере черной дыры, а энергия черпается из энергии вращения черной дыры, например посредством магнитного поля [4]. Вообще роль магнитного поля в формировании системы "аккреционный диск - джеты" трудно переоценить. Скорее всего, именно оно ответственно за отток момента импульса вещества в процессе аккреции, за образование узконаправленных потоков плазмы и за устойчивость джетов. Однако современный уровень знаний еще не позволяет указать действующие здесь конкретные механизмы, выяснить происхождение и структуру магнитного поля, характер течения плазмы внутри и вне джетов и многое другое.

Итак, в принципе возможны как "тяжелые" джеты из электронов и протонов (т.е. "обычной" плазмы), так и "легкие" джеты из электрон-позитронной плазмы. Поэтому так важно знать корпускулярный состав джетов - от него зависит выбор одного из двух указанных сценариев или какой-то их комбинации.

Из чего состоят джеты?

Решить фундаментальную проблему корпускулярного состава релятивистских джетов могут помочь радиоастрономические исследования этих объектов [8-10]. Известно, что синхротронное излучение отдельных электронов и позитронов обладает очень высокой степенью линейной поляризации (порядка 70%) и пренебрежимо малой степенью круговой поляризации. При этом поляризации излучения частиц обоих видов практически одинаковы. Но поляризация наблюдаемого излучения джета зависит и от характера электромагнитных волн в плазме. Например, в обычной электрон-протонной плазме плоскость поляризации излучения будет испытывать так называемое фарадеевское вращение по пути распространения, тогда как в электрон-позитронной плазме эффект Фарадея отсутствует. Таким образом, состав плазмы в джете может существенно влиять на поляризацию его радиоизлучения.

Окончательные выводы о корпускулярном составе джета можно сделать, только зная поляризацию его радиоизлучения по всему частотному спектру. К сожалению, столь детальные исследования пока вне возможностей современных радиоастрономических средств. Сегодня приходится комбинировать имеющиеся сведения о поляризации на отдельных частотах и о спектральной интенсивности радиоизлучения [10].

Интерферометрические радионаблюдения показывают, что в основании джет представляет собой последовательность отдельных ярких компонент, и позволяют вычислить их параметры - яркостную температуру и угол поворота плоскости поляризации излучения. За угол поворота принимают разность углов между плоскостями поляризации при переходе от данной частоты к более высоким частотам, где эффект Фарадея заведомо мал. Характерные значения угла поворота - порядка градуса, а яркостной температуры - порядка 10¹⁰ К.

В состав плазмы джета могут входить три фракции - "холодные" (нерелятивистские) электроны и протоны, релятивистские электроны и релятивистские позитроны. Разность общих электрических зарядов электронов и позитронов компенсируется протонами.

Идея определения состава плазмы основана на том, что интенсивность излучения источника в джете зависит от суммы концентраций релятивистских электронов и позитронов, но не от концентрации холодной фракции. Угол поворота, напротив, задается разностью концентраций релятивистских электронов и позитронов (частицы с разными знаками заряда вращают плоскость поляризации в разные стороны) и весьма чувствителен к концентрации нерелятивистских электронов. Так, при равной концентрации релятивистских и нерелятивистских электронов именно последние играют главную роль в повороте плоскости поляризации.

Анализ состава плазмы удобно провести с помощью диаграмм, представленных на рис.5. Диаграммы построены для двух предельных случаев: присутствуют только холодная фракция и релятивистские электроны (но без позитронов) или холодная фракция сочетается с релятивистскими электрон-позитронными парами. Данные наблюдений, о которых шла речь, ограничивают области допустимых параметров плазмы в джете. Верхняя граница этих областей определяет максимальное возможное относительное содержание холодных электронов в джете. С ростом яркостной температуры излучения эта граница опускается вниз, а с увеличением угла поворота поляризации поднимается вверх. Отсюда ясно, что высокое содержание релятивистских частиц следует ожидать в ярких джетах с малым углом поворота плоскости поляризации.

Рис. 5. Диаграммы на плоскости параметров "магнитное поле-содержание холодных электронов ncold по отношению к релятивистским частицам" для квазара 3С279: слева - для обычной плазмы из электронов (n_rel^-) и протонов (но без позитронов), справа - для плазмы из релятивистских электрон-позитронных пар (n_rel^- + n_rel⁺) и фракции холодных электронов. Цветом выделены области параметров, соответствующих данным радионаблюдений. Вертикальная сплошная линия обозначает величину магнитного поля, полученную по наблюдаемой частоте максимума интенсивности синхротронного излучения. Штриховая линия определяет минимальное магнитное поле, при котором обычный состав джета удовлетворяет экспериментальным данным.

В случае электрон-протонного состава плазмы (без позитронов) при фиксированных яркостной температуре и угле поворота плоскости поляризации возможные значения магнитного поля ограничены снизу. Удовлетворить наблюдениям при более слабых магнитных полях можно, только заменив часть релятивистских электронов на позитроны. О величине магнитного поля можно судить по наблюдаемой частоте максимума интенсивности синхротронного излучения джета.

Для примера укажем, что относительное содержание холодных электронов в джетах двух внегалактических источников - квазара 3C279 и объекта BL Ящерицы - очень низкое, порядка одного процента и меньше, т.е. плазма является релятивистской. Вместе с тем данные радионаблюдений квазара 3C279 допускают наличие в его джете как обычной электрон-протонной, так и электрон-позитронной плазмы. В джетах объекта другого класса - микроквазара GRS1915+105 в нашей Галактике - концентрация холодных электронов может существенно превышать концентрацию релятивистских частиц.

Как частицы ускоряются

Источником наблюдаемого излучения джетов, повторим, служит высокоэнергичная фракция электронов (и позитронов в случае электрон-позитронной плазмы). Она возникает в результате передачи энергии заряженным частицам, т.е. их ускорения, посредством электромагнитных полей в неоднородной и нестационарной плазме. Важнейшую роль здесь играют крупномасштабные неоднородности плотности или скачки гидродинамической скорости плазмы, например в сдвиговых течениях и бесстолкновительных ударных волнах. Сдвиговые течения возникают в слоях, где джет граничит с прилегающим межзвездным веществом; ударные волны формируются в области торможения джета окружающей средой или даже внутри него [1, 3, 6, 8]. И те, и другие приводят к ускорению определенной (малой) доли заряженных частиц всех сортов.

Общая идея ускорения восходит к Э.Ферми; у нее отсутствуют сколько-нибудь обоснованные сильные конкуренты. Существует целый ряд ее реализаций в космической плазме, см., например, [11]. Поясним механизм ускорения на примере ударной волны в бесстолкновительной плазме, где заряженные частицы взаимодействуют между собой посредством неоднородного магнитного поля, создаваемого текущими в этой плазме токами. Магнитное поле "вморожено" в плазму по обе стороны от фронта ударной волны, на котором гидродинамическая скорость плазмы и ее плотность испытывают скачки. Для частицы с достаточно большой длиной свободного пробега (что означает - с достаточно большой энергией) прохождение через фронт подобно столкновению с движущейся стенкой. В зависимости от направления своего движения частицы могут как приобретать, так и терять энергию, однако в среднем энергия ускоряемых частиц возрастает. Точнее, продолжительное ускорение и значительный набор энергии происходят только для тех частиц, которые неоднократно пересекают фронт ударной волны. Такое ускорение аналогично нагреву газа в сосуде со сближающимися стенками - с той лишь разницей, что вторая стенка, которая отражала бы частицы обратно к фронту ударной волны, отсутствует, и ее заменяет неоднородное магнитное поле, обеспечивающее многократные рассеяния, т.е. диффузию частиц.

Ускорение продолжается до тех пор, пока потери энергии на излучение не сравняются с темпом ускорения или темп диффузии высокоэнергичных частиц не станет слишком большим для удержания их в области фронта ударной волны. Первая причина типична для электронов, вторая - для протонов, которые тяжелее и излучают слабее. Темп ускорения частиц в нерелятивистской ударной волне увеличивается пропорционально квадрату ее скорости. Чем выше скорость - тем больше максимальная энергия ускоренных частиц, тем выше частота и больше мощность их излучения.

Однако в релятивистской ударной волне, скорость которой близка к скорости света, рассмотренный механизм ускорения оказывается неэффективным. Причин этому две. Во-первых, гидродинамическая скорость течения за фронтом релятивистской ударной волны равна одной трети скорости света, так что регулярный снос частиц преобладает над их диффузионным смещением и поэтому они практически не имеют шансов вернуться к фронту и продолжить ускорение. Во-вторых, при сжатии плазмы в ударной волне увеличивается параллельная фронту компонента вмороженного магнитного поля, тогда как перпендикулярная компонента остается неизменной. При этом дрейфовая скорость частиц, связанная с неоднородностью магнитного поля, направлена приблизительно параллельно фронту, а частицы движутся по циклоидам, не пересекающим его. До недавнего времени эти проблемы оставались нерешенными и не позволяли объяснить происхождение ускоренных частиц и, следовательно, мощное излучение релятивистских джетов.

Тем не менее эффективное ускорение частиц в релятивистских ударных волнах и сдвиговых течениях все же возможно [12]. Парадоксально, но главную роль здесь играет взаимодействие ускоряемых частиц с фотонными полями в джетах, которое обычно рассматривается лишь как помеха, дополнительный канал потери энергии. Дело в том, что при определенных условиях столкновения с фотонами можно трактовать как механизм случайного "выключения" и "включения" электрического заряда частиц. Проходя через фронт ударной волны и отражаясь от неоднородностей магнитного поля, заряженная частица увеличивает свою энергию, а затем, после встречи с фотоном, становится нейтральной, что позволяет ей вернуться к фронту без препятствий со стороны магнитного поля. Оказавшись перед ударной волной, частица вновь становится заряженной, так что весь цикл ускорения повторяется снова и снова (рис.6). Такой механизм ускорения частиц называется конверсионным; вычисления показывают, что он играет важнейшую роль в излучении и динамике релятивистских джетов [12, 13].

Рис. 6. В конверсионном механизме ускорения частица покидает ударную волну, будучи нейтральной (момент времени 1), и движется прямолинейно до своего превращения в заряженную (момент 2). За это время частица обгоняет фронт ударной волны на некоторое расстояние, так что у нее появляется достаточный запас времени, чтобы развернуться в магнитном поле прежде, чем она будет вновь подхвачена ударной волной (момент 3). Положения частицы и фронта ударной волны в соответствующие моменты времени отмечены цифрами 1, 2 и 3.

Разумеется, выключение и включение электрического заряда - это лишь условный способ описания происходящих процессов. Так, при рассеянии фотона на релятивистском электроне этот (незаряженный!) фотон с известной вероятностью будет двигаться в том же направлении, что и исходный электрон, и нести почти всю его энергию. Такой фотон, столкнувшись с относительно низкочастотным фотоном из поля излучения джета, породит заряженные высокоэнергичные электрон и позитрон, причем энергия поделится между ними примерно поровну. То обстоятельство, что в результате указанного электрон-фотонного цикла "выключения" и "включения" заряда количество ускоряемых частиц удваивается, не играет принципиальной роли.

Аналогичная цепочка превращений существует и для протонов. Фотоны, энергия которых превышает 350 МэВ в системе покоя протона, могут возбуждать его внутренние (кварковые) степени свободы. Возбужденный адрон моментально распадается на нуклон и пион. Приблизительно в трети случаев образуется заряженный пион, а протон превращается в нейтрон. Обладая аналогичной кварковой структурой, нейтроны взаимодействуют с фотонами по той же схеме, т.е. переходят в протоны. Побочным продуктом протон-нейтронного цикла становятся высокоэнергичные заряженные пионы, распад которых приводит к появлению вторичных электронов и позитронов, а также нейтринного излучения.

Вероятность того, что конверсия частиц из заряженных в нейтральные и обратно происходит при взаимодействии с фотонами подходящей энергии и в правильной последовательности, много меньше единицы. С другой стороны, частица, прошедшая полный цикл ускорения (рис.6), увеличивает свою энергию приблизительно в G² раз, где G - лоренц-фактор ударной волны. Для джетов в активных ядрах галактик это составляет величину 10²-10³, а для гамма-всплесков - от 10⁴ до 10⁶. Суммарная энергия ускоренных частиц возрастает с каждым циклом, если произведение вероятности прохождения цикла на фактор увеличения энергии превосходит единицу. В итоге основной вклад приходится на те частицы, чья энергия близка к максимально достижимой. По оценкам, релятивистские джеты в гамма-всплесках и активных ядрах галактик в таком режиме ускорения способны обеспечить существование наблюдаемых космических лучей (протонов) вплоть до сверхвысоких энергий ~10²⁰ эВ.

Интересно отметить, что при конверсионном ускорении частицы достигают такой энергии всего за 2-4 прохода через фронт ударной волны. При обычном диффузионном ускорении для этого потребовалось бы много десятков проходов; соответственно умножаются и трудности реализации такого механизма. Пояснить различие можно следующим образом. Скорость частиц, покидающих релятивистскую ударную волну, в неподвижной системе отсчета направлена почти параллельно скорости ударной волны. Однако траектория заряженных частиц немедленно начинает искривляться под действием магнитного поля, и как только угол между скоростью частицы и направлением движения ударной волны становится порядка ее обратного лоренц-фактора, фронт волны догоняет убежавшую частицу и завершает цикл ускорения. Результатом цикла становится увеличение энергии частицы примерно вдвое. При конверсионном ускорении частица покидает ударную волну, будучи нейтральной, и движется прямолинейно до своего превращения в заряженную. За это время частица обгоняет фронт ударной волны на некоторое расстояние, так что у нее появляется достаточный запас времени, чтобы развернуться в магнитном поле прежде, чем она будет вновь подхвачена ударной волной. В итоге конверсионный цикл ускорения увеличивает энергию частицы не вдвое, а в квадрат лоренц-фактора ударной волны раз.

Взгляд на джет со стороны

Отличительная черта конверсионного механизма ускорения - анизотропное (в системе отсчета джета) распределение по скоростям наиболее энергичных частиц. Анизотропно также и их рентгеновское и гамма-излучение, причем направлено оно преимущественно против движения джета. Это происходит потому, что максимально ускоренные частицы, возвращаясь в ударную волну (т.е. двигаясь ей навстречу), излучают бо?льшую часть своей энергии очень быстро, не успевая развернуться в магнитном поле джета. С учетом релятивистской аберрации света неподвижный наблюдатель, регистрирующий наиболее энергичные фотоны, увидит весьма широкую диаграмму направленности излучения указанных частиц. Во всяком случае, она значительно шире, чем узкая диаграмма направленности для более низкочастотного излучения менее энергичных частиц, имеющих почти изотропное распределение по скоростям в сопровождающей джет системе отсчета. В результате излучение максимально ускоренных частиц, сосредоточенное в рентгеновском и гамма-диапазонах, можно наблюдать под большими углами к оси джета [14].

Это явление помогает понять, например, феномен запаздывающего жесткого излучения гамма-всплесков. Задержка в данном случае имеет геометрическую природу: обладая уширенной диаграммой направленности, указанное излучение приходит от более широкого сегмента сферической ударной волны, края которого находятся дальше от наблюдателя, чем центральная часть.

Уширение диаграммы направленности может также объяснить регистрацию так называемых неидентифицированных источников жесткого гамма-излучения (большое количество таких источников обнаружено космическим телескопом EGRET в 1992-1994 гг.). Они, вероятно, связаны с теми квазарами, джеты которых ориентированы под большими углами к направлению на Землю и поэтому не создают заметного излучения в более низкочастотных диапазонах, где излучение джета является узконаправленным. Широконаправленным может быть и высокоэнергичное нейтринное излучение релятивистских джетов, сопровождающее распад пионов, которые образуются при неупругих столкновениях протонов и нейтронов. Стремительное развитие нейтринной, рентгеновской и гамма-астрономии позволяет надеяться на скорое обнаружение излучения, свойственного конверсионному механизму ускорения, и тем самым на выяснение физических условий в релятивистских джетах.

Подробнее о механизмах излучения

Среди многочисленных механизмов излучения высокоэнергичных электронов и позитронов в релятивистских джетах, как уже говорилось, основную роль играют синхротронное излучение и обратное комптоновское излучение, которое происходит за счет рассеяния низкоэнергичных фотонов высокоэнергичными частицами. Источником таких фотонов для комптоновского механизма может служить как излучение аккреционного диска, так и собственное синхротронное излучение ускоренных частиц джета.
Как правило, мощность синхротронного излучения релятивистских джетов настолько велика, что плотность его энергии сравнима с плотностью энергии магнитного поля. При этом комптоновский механизм вносит большой, а во многих случаях - определяющий вклад в полную мощность излучения, так что само излучение правильнее называть синхротронно-комптоновским. Совместное действие обоих механизмов излучения приводит к появлению в спектрах активных ядер галактик двух далеко отстоящих по частоте компонент: низкочастотной, синхротронной (доли эВ - единицы МэВ) и высокочастотной, комптоновской (единицы ГэВ - десятки ТэВ). Можно ожидать, что комптоновская компонента присутствует и в спектрах гамма-всплесков (в диапазоне от единиц до сотен ТэВ), однако наблюдательных доказательств этому нет. Увидеть ее мешает сильное поглощение высокоэнергичных фотонов при взаимодействии с межгалактическим фоном оптического излучения: горизонт видимости для фотонов с энергией выше 100 ГэВ расположен ближе подавляющего большинства источников гамма-всплесков.

Вообще говоря, синхротронную и комптоновскую компоненты нельзя рассматривать независимо [15]. Между ними существует тесная связь: обе они суть излучение одних и тех же высокоэнергичных электронов и позитронов, функция распределения которых испытывает обратное влияние со стороны излучения обоих видов. Наибольший интерес представляет случай эффективного излучения, когда за характерное время эволюции джета частицы успевают излучить значительную часть своей энергии. Тогда формируется квазистационарное распределение частиц, вид которого определяется как зависимостью темпа радиационных потерь от их энергии, так и свойствами источника частиц (его роль играет, например, ударная волна, поставляющая ускоренные электроны внутрь джета).

Синхротронные потери пропорциональны квадрату энергии излучающих частиц, а комптоновские потери зависят еще и от спектра низкочастотного излучения (основной вклад в величину потерь вносят фотоны с частотой ниже так называемого порога Клейна-Нишины). Пороговая частота обратно пропорциональна энергии частиц, т.е. влияние порога максимально для высокоэнергичных частиц и практически отсутствует для низкоэнергичных. Соответственно, для частиц с энергией ниже некоторой преобладают комптоновские потери; для остальных главным каналом потерь оказывается синхротронное излучение. Величина граничной энергии зависит от нескольких факторов, в том числе и от мощности источника частиц. Таким образом, даже простое изменение количества ускоряемых электронов и позитронов при прочих равных условиях влияет на положение как синхротронного, так и комптоновского максимумов в спектре наблюдаемого излучения.

Рис. 7. Схема синхротронно-комптоновского механизма излучения. По известному энергетическому распределению электронов (нижний график) можно однозначно восстановить спектр их синхротронного излучения (левая часть верхнего графика), причем на каждой частоте w основной вклад приходится на группу электронов (g₁), у которых максимум синхротронного спектра близок к этой частоте. В то же время фотоны частоты w соответствуют порогу Клейна-Нишины для другой группы электронов (g₂) и, если он расположен на растущей части спектра, определяют их комптоновские потери. Последние, в свою очередь, диктуют спектр комптоновского излучения в области частот порядка g₂²w и влияют на вид функции распределения электронов.

Как показано на рис.7, взаимосвязь синхротронного и комптоновского механизмов излучения ведет к изменению спектров обеих компонент, причем она имеет нелокальный по частоте, интегральный характер. В итоге даже простые (например, с единственной особенностью) функции распределения электронов у источника ускоренных частиц порождают сложные спектры синхротронного и комптоновского излучения. Это позволяет объяснить основные спектральные особенности излучения релятивистских джетов.

Это еще не все

Электромагнитное излучение, его спектр, поляризация, переменность, - единственный доступный нам канал информации о релятивистских джетах. По известным характеристикам излучения можно установить, хотя и не вполне однозначно, свойства излучающих частиц. Однако сделать дальнейший шаг в понимании природы джетов - их динамики, процессов формирования и разгона до релятивистских скоростей - очень сложно. Об этих явлениях, исключительно важных для физики джетов, пока приходится судить исходя из косвенных фактов и общефизических соображений, основываясь на упрощенных моделях [1, 4, 16]. Проиллюстрируем сложность процессов в релятивистских джетах на примере существенной роли нейтронной компоненты, присутствие которой, по-видимому, типично для плазмы в источниках космических гамма-всплесков [17]. В основании джета нейтроны сталкиваются с протонами достаточно часто, чтобы оказаться увлеченными общим потоком, но затем, начиная с некоторого расстояния, разлетаются практически свободно. Если разгон джета к этому моменту еще не завершился, то плазменная (электрон-протонная) компонента приобретает больший лоренц-фактор, чем нейтронная. В результате протон-нейтронные столкновения становятся неупругими и порождают как нейтральные, так и заряженные пионы. Распад заряженных пионов приводит к появлению трех нейтрино и позитрона (электрона), причем каждая частица уносит примерно одинаковую энергию »35 МэВ. Нейтральные пионы распадаются на два гамма-кванта с энергией около 70 МэВ. Так возникает нейтринное излучение и жесткое гамма-излучение, перерабатывающееся в электромагнитном каскаде и выходящее с более далекой фотосферы. Динамическое воздействие нейтринного излучения за счет импульса отдачи может быть столь велико, что приводит к значительному торможению джета. В числе прочих неупругих реакций идут процессы с образованием дейтерия - и релятивистский джет становится его эффективным источником, превращая в дейтерий до 20% всего выбрасываемого нуклонного вещества.

Мы смогли рассказать здесь лишь об отдельных фрагментах мозаики, которым предстоит сложиться в полную картину, включающую все аспекты происхождения и структуры релятивистских джетов. Предстоит, потому что многие части мозаики еще далеки от понимания, а наблюдательные данные пока довольно бедны. Однако даже те детали, которые уже ясны, демонстрируют разнообразие и богатство физических представлений, необходимых для объяснения природы столь масштабного явления во Вселенной, как релятивистские джеты.

Литература

1. Relativistic Jets in AGNs // Proceedings of the International Conference. Cracow, May 27-30 1997 / Eds. M.Ostrowski, M.Sikora, G.Madejski, M.Begelman.

2. Whitney A.R., Shapiro I.I., Rogers A.E.E. et al. // Science. 1971. V.173. P.225-230.

3. Urry C.M., Padovani P. // Publications of the Astronomical Society of the Pacific. 1995. V.107. P.803-845.

4. Blandford R.D. // Progress of Theoretical Physics Supplement. 2001. №143. P.182-201.

5. Mirabel I.F., Rodriguez L.F. // Nature. 1994. V.371. P.46-48.

6. Fender R.P. Jets from X-ray binaries // Compact Stellar X-ray Sources / Ed. W.H.G.Lewin, M.van der Klis. Cambridge, 2006. P.381; astro-ph/0303339.

7. Постнов К.А. // УФН. 1999. Т.169. №5. С.545-558.

8. Jones T.W., O’Dell S.L. // Astronomy and Astrophysics. 1977. V.61. P.291-293.

9. Железняков В.В., Корягин С.А. // Письма в Астрономический журнал. 2002. Т.28. С.809-828.

10. Железняков В.В., Корягин С.А. // Письма в Астрономический журнал. 2005. Т.31. С.803-818.

11. Бережко Е.Г., Крымский Г.Ф. // УФН. 1988. Т.154. №1. С.49-91.

12. Derishev E.V., Aharonian F.A., Kocharovsky V.V., Kocharovsky Vl.V. // Physical Review D. 2003. V.68. P.043003(1-10).

13. Stern B.E. // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2003. V.345. №2. P.590-600.

14. Derishev E.V., Aharonian F.A., Kocharovsky Vl.V. // The Astrophysical Journal. 2007. V.65. №1 (in press);

15. Derishev E.V., Kocharovsky V.V., Kocharovsky Vl.V. Cosmological Gamma-Ray Bursts: the Modern Scenario // Proc. of the 3rd International Sakharov Conference on Physics. Moscow, 2002. 24-29 June / Eds. A.Semikhatov, M.Vasiliev, V.Zaikin. 2003. V.1. P.373-385.

16. Бескин В.С. Осесимметричные стационарные течения в астрофизике. - М., 2005.

17. Derishev E.V., Kocharovsky V.V., Kocharovsky Vl.V. // The Astrophysical Journal. 1999. V.521. P.640-649.