Relativistični mlazi: plazma curki iz črnih lukenj in kvazarjev

Relativistični mlazi — izjemno hitri plazma curki iz črnih lukenj in kvazarjev: nastanek, sestava, vpliv in povezava z izbruhi gama.

Relativistični curki so zelo močni curki plazme s hitrostmi, ki se približujejo svetlobni hitrosti. Oddajajo jih osrednje črne luknje nekaterih aktivnih galaksij (predvsem radijskih galaksij in kvazarjev) ter črne luknje masivnih zvezd in nevtronskihzvezd. Njihova dolžina lahko doseže več tisoč ali celo več sto tisoč svetlobnih let, moč pa je pogosto v obliki usmerjene kinetične energije in sevanja preko širokega energetskega spektra (radio–optika–rentgen–gama).

Če je hitrost curka blizu hitrosti svetlobe, so učinki posebne teorije relativnosti pomembni: pojavijo se relativistično zoženje (beaming), Dopplerjevo ojačenje sevanja in videz navidezne nadsvetlobe (superluminalna gibanja) pri opazovanju pod majhnimi koti. O mehaniki nastanka curkov in o tem, iz česa so sestavljeni, se še vedno razpravlja, vendar sodobni modeli vključujejo močna magnetna polja, hitro vrteče se črne luknje in vroče akrecijske diske. Sestava curkov je lahko različna: lahko vsebujejo elektrone in protoni, elektronsko–pozitronske pare ali mešanico obojega.

Kako nastanejo?

Najbolj sprejeta razlaga za nastanek curkov pri aktivnih galaktičnih jeder temelji na akreciji plazme na vrtečo se supermasivno črno luknjo in na močnem magnetnem polju, ki poveže črno luknjo z akrecijskim diskom. Dva glavna mehanizma, omenjena v literaturi, sta:

• Blandford–Znajekov mehanizem: iz črne luknje se centrifugalno in magnetno izvleče rotacijska energija preko močno zapletenih magnetnih polj, kar lahko napaja relativistični curk.
• Blandford–Paynov mehanizem: curki se lahko izstrelijo iz akrecijskega diska kot magnetno pospešeni izpuh, pri čemer disk deluje kot vir energije in tovora.

Pri manjših masah črne luknje ali pri zvezdnih sistemih nastanejo podobni, a manj obsežni curki — t. i. mikrokvazarji — kjer črni luknji z maso nekaj zvezd povzroči akrecija od spremljevalne zvezde. Tudi nevtronskihzvezd in nekateri pulzarji lahko tvorijo curke ali pulzarske vetrove, čeprav so njihove lastnosti drugačne kot pri supermasivnih sistemih.

Sestava in hitrost

Prava sestava curkov ni vedno enotna in se razlikuje med objekti. V nekaterih curkih prevladujejo elektronsko–pozitronski pari (lahki delci), v drugih pa so prisotni tudi težji delci, kot so protoni. Sestava vpliva na skupno maso curka, energijsko vsebino ter na to, kako daleč in kako učinkovito lahko curk prenaša energijo v okolico.

Splošna hipoteza astrofizikov je, da je nastanek relativističnih curkov ključnega pomena za pojasnitev nastanka izbruhov žarkov gama. Ti curki imajo Lorentzev faktor ~100 ali več (to so hitrosti nad približno 0,99995c), zaradi česar so med najhitrejšimi nebesnimi telesi, ki jih poznamo danes. Pri aktivnih galaksijah so običajno Lorentzovi faktorji manjši (od nekaj do nekaj deset), a še vedno zadostni za močno relativistično beaming-efektno ojačenje sevanja.

Opazovalni znaki

Relativistične curke prepoznamo po več značilnih znakah:

• Močno radio-sevanje z značilnim sinhronim spektrom in polarizacijo — to izvira iz relativističnih elektronov, ki gibajo v magnetnih poljih.
• Enostranskost: zaradi relativističnega ojačenja je pogosto vidna samo ena stran curka (bližnji curk je ojačen, oddaljeni prigušen).
• Superluminalni premiki: pri opazovanju z zelo dolgo-basno interferometrijo (VLBI) se zdi, kot da delci potujejo hitreje od svetlobe, kar je posledica geometrije in relativistične projekcije.
• Hotspoti in lobi: curki se lahko končno vtrijejo v okoliški medij, kar povzroči nastanek vročih točk in radio-lobij velikih razsežnosti.
• Širok energijski razpon: nekateri kvazarji in blazarji oddajajo tudi močno rentgensko in gama-sevanje, ki ga povzroča inverzno Comptonovo razprševanje ali druge visokenergijske procese.

Vpliv na okolje in pomen

Relativistični curki imajo velik vpliv na razvoj in okolje galaksij. Z energijo in gibalno količino, ki jo prenašajo, lahko:

• ogrevajo intragalaktično in intragručno sredico, s čimer preprečujejo prekomerno ohlajanje plazme in s tem zaustavijo močno nastajanje zvezd (AGN feedback);
• izoblikujejo velike radijske lobe in mehurčke v intragalaktičnem plinu;
• prispevajo k pospeševanju kozmičnih žarkov in raznašanju magnetnih polj na velike razdalje;
• pri eksplozivnih dogodkih, kot so združitve zvezd ali kolapsi masivnih zvezd, tvorijo usmerjene curke, ki so verjetno odgovorni za opazne izbruhe gama.

Raziskave relativističnih curkov so zato ključne za razumevanje tako majhnih sistemov (mikrokvazarji in zvezdne eksplozije) kot tudi velikih kozmoloških pojavov (razvoj galaksij, termodinamika galaktičnih kupov in virov visokoenergetskega sevanja).

Primeri v našem opazovanju: znani objekti s relativističnimi curki vključujejo nekaterih blazarjev in kvazarjev, radijske galaksije s FR I/FR II morfologijo ter mikrokvazarje, kot so GRS 1915+105 in SS 433, ki kažejo podobne fizikalne procese v manjšem merilu.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj so relativistični curki?

V: Od kod prihajajo relativistični curki?

V: Kakšna je dolžina relativističnih curkov?

V: Kaj je pomembno pri hitrosti relativističnih curkov?

V: Kakšna je sestava relativističnih curkov?

V: Kakšna je hipoteza astrofizikov o nastanku relativističnih curkov?

V: Kako hitro lahko relativistični curki potujejo?

Išči po črki