Чёрная дыра пустила в струю - газета. Ru

Международной команде астрономов, в которую входили и российские учёные, удалось в небывалых деталях пронаблюдать процесс выброса вещества из сверхмассивной чёрной дыры в центре далёкой

галактики. Теперь они знают, как возникают огромные космические струи, вещество в которых подчас ускоряется до скорости лишь немногим меньше скорости света. РАБОТА учёных опубликована в 

последнем выпуске Nature. Представлять себе чёрную дыру как объект, который бесконечно засасывает в себя окружающее вещество, не выпуская ничего наружу, не совсем правильно. В конце концов,

если бы они ничего не выпускали наружу, мы о них никогда бы и не узнали. Притяжение чёрных дыр настолько сильно, что в сферу их влияния часто попадает больше материи, чем они в реальности

способны поглотить. Как показывают наблюдения, избыток выбрасывается из чёрных дыр в виде пары узких, направленных в противоположные от чёрной дыры стороны струй, которые русские астрономы

на английский манер называют джетами. Вообще, джеты – явление довольно универсальное, но чаще всего встречается именно при падении вещества на какой-то центральный объект. Это не обязательно

должна быть чёрная дыра. В качестве притягивающего центра могут выступать и другие объекты – например, очень плотные нейтронные звёзды или даже протозвёзды – «эмбрионы» обычных звёзд, в них

вещество, которому предстоит в дальнейшем стать частью звезды, долго собирается из межзвёздных облаков, оседая на поверхность образующегося светила. Рашид Сюняев получил Крафоордскую премию

Накануне в Стокгольме прошла церемония награждения премией имени Крафоорда Шведской академии наук. В присутствии шведского короля Карла XVI Густава премии получили три человека - двое

россиян, француз и американец. Лауреаты премии БЫЛИ ОБЪЯВЛЕНЫ в январе. Половину премии, составляющей $500 тысяч, получил академик РАН Рашид Алиевич Сюняев, работающий в Институте

космических исследования (ИКИ) РАН и Институте астрофизики имени Макса Планка в Германии. Он удостоен премии «за его решающий вклад в астрофизику высоких энергий и космологию, в частности -

(понимание) процессов и динамики в окрестности чрных дыр и нейтронных звзд и демонстрацию диагностической силы структур в фоновом излучении». Вторую половину премии разделили принстонский

профессор, гражданин США Эд Виттен и профессор Института высших научных исследований под Парижем Максим Львович Концевич, имеющий российское и французское гражданства. Они удостоены премии

«за их важный вклад в математику, вдохновлнный современной теоретической физикой». Премия Крафоорда вручается Шведской королевской академией наук с 1982 года, одним из двух лауреатов первой

премии был другой великий русский математик Владимир Игоревич Арнольд. Премия вручается каждый год в одной из четырх областей: математика и астрономия, науки о Земле и науки о жизни с особым

вниманием к исследованиям по экологии и ревматоидному артриту. Размер премии составляет $500 тысяч, она предназначена для того, чтобы дать возможность лауреатам спокойно продолжать свои

исследования. В разное время лауреатами премии были Лайман Спитцер, Пол (Ральф) Эрлих, Ален Конн и Мартин Рис. До сих пор премию ни разу не получали женщины. Основные работы 64-летнего

академика Сюняева, родившегося в Ташкенте, посвящены теоретической астрофизике и астрофизике высоких энергий, он много занимался работами по созданию и запуску космических обсерваторий и

обработке полученных ими данных. Работа Николая Ивановича Шакуры и Сюняева по теории дисковой аккреции, вот уже более 35 лет остатся одной из самых цитируемых в астрофизике. Другой

знаменитый эффект, который носит имя российского учного - эффект Сюняева-Зельдовича - позволяет исследовать массивные объекты в далкой Вселенной (например, скопления галактик) по характерным

искажениям, которые они вносят в спектр космического микроволнового фонового (реликтового) излучения. 43-летний профессор Концевич - сын знаменитого востоковеда, автора системы

кириллической транскрипции корейского языка Льва Концевича - родился в подмосковных Химках. Он закончил Механико-математический факультет Московского университета и защитил кандидатскую

степень в Бонне. Его основные работы связаны с теорией узлов и е связи с теорией суперструн. Доказал гипотезу другого лауреата премии, Эда Виттена о математичекой эквивалентности двух

формулировок квантовой гравитации. Концевич - один из немногих математиков, чь имя носит один из видов интегрирования. Интеграл Концевича, равно как и интегралы Лебега, Римана, Гаусса,

Фейнмана или Ито - один из самых востребованных инструментов современной теоретической физики. И Сюняев, и Концевич уже удостаивались престижнейших наград. В частности, Рашид Алиевич Сюняев

является лауретом премии Грубера 2003 года за его вклад в развитие космологии, а Максим Львович Концевич - лауретом Филдсовской медали 1998 года, как раз за доказательство гипотезы Виттена.

На самом деле, образование двух выбросов не столь уж удивительно. Как показали ещё в начале 70-х годов XX века советские астрофизики Николай Иванович Шакура и Рашид Алиевич Сюняев, почти

каждый раз, когда происходит падение вещества на притягивающий центр – этот процесс называется аккрецией, — образуется так называемый аккреционный диск. Только взаимное трение слоёв такого

газового диска друг о друга способно погасить скорость их вращения: без трения вещество на притягивающий центр упасть не cможет, а так и будет вращаться вокруг неё по своей орбите. Поскольку

внешние слои диска давят на внутренние, то излишки могут выбрасываться только над и под диском – вот вам, казалось бы, и два джета. Удивительно другое – что струи оказываются настолько

узкими, а вещество в них движется с огромными скоростями. В конце 1970-х годов британский астрофизик Роджер Блендфорд и его аспирант Роман Знаек предложили первый хорошо проработанный

механизм образования быстрых и узких струй. Согласно их модели, «костью в горле» чёрной дыры встаёт магнитное поле. В горячей плазме, в которую превращается при приближении к чёрной дыре

газ, электромагнитные и механические свойства вещества перемешиваются, поскольку и те, и другие определяются движением заряженных частиц (в обычном веществе переносчики заряда составляют

лишь ничтожную его часть). В результате магнитные силовые линии оказываются «вморожены» в вещество и, будучи вдали от чёрной дыры ориентированы случайным образом, с его закручиванием вокруг

чёрной дыры заплетаются в своего рода жгуты, у которых появляется выделенное направление – по оси вращения. Кроме того, вблизи вращающихся чёрных дыр работает и ещё один механизм – здесь

кручение чёрной дыры увлекает за собой само пространство, а с ним – и вещество, и магнитное поле. Вдоль этого направления и устремляется вещество, выбрасываемое от поверхности чёрной дыры.

Причины таких выбросов могут быть различны. Например, сильное, меняющееся магнитное поле может – как в турбине электростанции – рождать мощнейшие электрические разряды, которые рвут и

перезамыкают магнитные линии и ускоряют заряженные частицы. Вращающееся, закрученное магнитное поле ещё больше разгоняет их. По дороге заряженные частицы взаимодействуют друг с другом,

излучают свет, врезаются в нейтральное вещество. В результате образуются джеты. Блендфорд и Знаек описали лишь самый общий механизм, однако за прошедшие 30 лет другие теоретики значительно

улучшили и усложнили эту модель, объяснив многие остававшиеся за её рамками вопросы. Кроме того, появились и альтернативные модели образования джетов, однако надёжных наблюдательных данных,

способных определить, какая модель работает на самом деле, до сих пор не было. Группе учёных из США, России, Великобритании, Финляндии, Италии и Грузии удалось получить доказательства, что

работает именно механизм Блендфорда--Знаека. Точнее, той его модификации, что была предложена недавно греческим астрофизиком Нектариосом Влахакисом и его американским коллегой Ари Кёниглом.

Астрономы под руководством Алана Маршера из Бостонского университета создали целую «сеть» для наблюдения за сверхмассивными чёрными дырами, расположенными в центрах далёких галактик.

Аккреция вещества на них провоцирует явление активного галактического ядра, самые яркие из которых называют квазарами. Чтобы выяснить мельчайшие подробности движения вещества в джете

потребовалось почти каждую ночь следить за блеском, внешним видом и поляризацией излучения объектов с помощью целой батареи оптических и радиотелескопов; в космосе им помогали орбитальные

телескопы, работающие в рентгеновском и гамма-диапазоне. Из-за очень высоких скоростей вещества в джетах (около 98–99% скорости света) их излучение оказывается сконцентрировано в узком

конусе диаметром несколько градусов. Учёные сосредоточились на особо ярком типе квазаров, в конус излучения которых попадает Земля. Их называют блазарами или лацертидами, по имени первого

объекта такого рода, обнаруженного в прошлом веке, – «переменной звезды» BL Lacertae, или BL северного созвездия Ящерицы, оказавшейся на поверку ядром галактики, находящейся почти в 

миллиарде световых лет от нашей звёздной системы. Собственно, с прототипом всех подобных объектов – самим BL Lac – учёным и повезло. На синтетических радиоизображениях, построенных

синхронизированными радиотелескопами, находящимися в разных уголках земного шара, на месте этой «звезды» виден отходящий к югу от ядра галактики джет длиной около тысячной доли угловой

секунды, на котором заметно более или менее стационарное яркое пятно. В ядре расположена чёрная дыра массой около 200 миллионов солнц. Собственно, самого галактического ядра как некоего

яркого выделяющегося объекта не видно – в отличие от джета, оно излучает не только в нашу, но и во все остальные стороны. Второй джет, скорее всего, также присутствует, но увидеть его тоже

не удаётся: конус излучения направлен в противоположном нам направлении. «Сверхсветовые» движения в квазарах Иллюзия сверхсветовых скоростей возникает, если выброс из ядра квазара движется с

 большой скоростью под углом, близким к направлению на наблюдателя, а последний может измерять лишь смещение в тангенциальном (перпендикулярном лучу зрения) направлении. Скорость есть

отношение пройденного расстояния ко времени. В данном случае расстояние – это просто разница двух тангенциальных координат. А время – это промежуток между временем _прихода_ световых

импульсов от точек в начале и в конце пути, а не их испускания. Поскольку второй импульс испускается ближе к наблюдателю, он проходит меньшее расстояние, чем первый. Можно подсчитать, что

кажущаяся скорость βилл (в единицах скорости света) связана с истинной β и углом θ между направлением скорости и лучом зрения формулой: βилл=β sinθ/(1-β cosθ) Один-два раза в год, совершенно

нерегулярным образом, блеск BL Lac резко увеличивается – это чёрная дыра впрыскивает в струю очередную порцию вещества и энергии. Яркие выбросы проносятся вдоль джета, как кажется (смотрите

СПРАВКУ), со сверхсветовыми скоростями и, постепенно слабея, растворяются в джете. Подобное событие произошло в конце октября 2005 года. Блеск блазара в оптическом диапазоне вырос почти в 

три раза, а спустя чуть больше месяца – в декабре – произошла вторая вспышка. Измерения блеска вели сразу пять оптических обсерваторий в Европе, Азии и США. Тем временем радиоастрономы,

используя сеть Национальной радиоастрономической обсерватории США, проследили распространение яркого пятна по джету. Измерения потока рентгеновских лучей и ещё более энергичных гамма-квантов

тем временем позволили оценить энергии, до которых были ускорены частицы в распространявшемся вдоль джета облаке. Наблюдения показали, что в обоих случаях блеск менялся из-за увеличения

яркости движущегося вдоль джета выброса. Более того, появилось оно ещё до того, как произошла первая вспышка. Именно две вспышки и предсказывает модель, основанная на ускорении вещества

закрученным магнитным полем. Вторая вспышка происходит при пересечении выбросом стационарной ударной волны, которую мы видим как неизменное яркое пятно. Она возникает при взаимодействии

ускоренного в джете вещества с окружающим газом, сжимая и то, и другое. Сравнение оптических и радионаблюдений показало, что блеск вырос именно тогда, когда выброс пересекал пятно на джете,

и был сжат ударной волной. Возникновение первой вспышки ещё интереснее. Выброс движется с огромной скоростью, близкой к скорости света, которая к тому же постоянно растёт. Из-за этого конус,

в котором сосредоточено его излучение, постоянно сужается, а его яркость – растёт. Однако до поры до времени этот фонарик светит не прямо на нас, а в сторону, поскольку вещество движется

вдоль стенки «сопла», которое образуют скрученные силовые линии. Однако рано или поздно магнитные силовые линии «растворяются» в хаотичном магнитном поле газа, окружающего сопло. В этот

момент выброс оказывается свободным, и «фонарик» смотрит прямо на нас – мы видим вспышку. Но это объяснение – в рамках данной модели, и использовать его для её обоснования сомнительно. Мало

ли от чего произошла вспышка. Рисунок, приведённый выше (а есть и ВИДЕОРОЛИК (90МБ) и даже ПЕСНЯ – осторожно, весьма двусмысленная), остаётся рисунком, астрономы пока не научились видеть

далёкие объекты в таких деталях. Теория стала бы гораздо убедительней, если бы ориентацию направления излучения «фонарика» и магнитного поля можно было бы действительно измерить. И вот здесь

в работе очень пригодились данные, полученные российскими астрономами. Они измерили направление плоскости поляризации оптического излучения – направление, в котором колеблется электрический

вектор световой волны, приходящей от блазара. Как рассказал «Газете.Ru» Владимир Александрович Гаген-Торн из Астрономического института Петербуржского университета, данные о поляризации,

полученные им и его коллегами на телескопе АЗТ-8 Крымской астрофизической обсерватории, а также наблюдения на телескопе имени Койпера Стюардовской обсерватории в Аризоне позволили

проследить, как изгибалась траектория движения выброса со временем. Как оказалось, двигаясь от начала «магнитного сопла» к его концу, вещество совершило полтора оборота вдоль его стенки. Как

и предсказывает теория, угол закрутки его траектории существенно меньше угла закрутки магнитных силовых линий – «шаг винта», по которому двигалось вещество, значительно шире, чем шаг

закрученных линий магнитного поля. Эти данные позволяют рассчитать, как изменялось движение вещества со временем, и результаты подсчёта отлично сошлись с наблюдениями. Поляризационные данные

также позволили примерно оценить размер выброса. «Мы лишь дали фотометрию (_измерение блеска – «Газета.Ru»_) и поляриметрию», — скромно заметил Гаген-Торн, являющийся соавтором работы. Но

именно эти данные позволили узнать, как именно двигалось вещество в джете, и удостовериться, что мы правильно понимаем механизм его ускорения. Впрочем, учёные осторожны в своих выводах. Пока

неизвестно, насколько применима эта модель к струям, бьющим из окрестностей других сверхмассивных чёрных дыр, и уж тем более – к джетам протозвёзд. По словам астронома, пока получить такие

чёткие данные для других объектов не получается, хотя учёные продолжают свои измерения. Но это и не удивительно. Данная работа – пионерская. «Если бы подобных данных было много, не было бы

статьи в Nature», – заключил Гаген-Торн.