Релятивистские струи — что это такое?

Релятивистские струи (джеты) — это потоки вещества (плазмы) и излучения, которые выбрасываются из центральных областей некоторых астрономических систем (Галактик) со скоростями, близкими к скорости света. Термин «релятивистские» означает, что релятивистские эффекты (замедление времени, релятивистское преобразование скоростей, доплеровское усиление/изменение частот излучения и т. п.) проявляют себя в этом процессе.

Обычно под «релятивистскими струями» в астрономии понимают, в первую очередь, джеты (струи) в активных галактических ядрах (квазар, блазар и другие).

Откуда берутся релятивистские струи

Типичные источники

  • Активные галактические ядра (квазары, блазары, радиогалактики, сейфертовские галактики и другие)
  • Нейтронные звезды

Джет (релятивистская струя) может состоять из:

  • плазмы (заряженные частицы: электроны, позитроны и/или протоны),
  • магнитного поля, которое часто играет ключевую роль в ускорении
  • излучения

Ускорение до релятивистских скоростей: как достигается?

Типовые сценарии ускорения:

Магнитное ускорение

Плазма «разгоняется» за счёт энергии вращения и магнитного поля.

Шоковое/турбулентное ускорение (на больших масштабах)

При столкновениях потока с внешней средой или при внутренних вариациях плотности возникают ударные волны, на которых частицы разгоняются (например, по механизму Ферми-ускорения).

Комбинация кинетической и магнитной энергии

В начале поток может быть «более магнитным», а затем магнитная энергия превращается в кинетическую.

Как правило, наблюдения заставляют думать, что ускорение происходит не одним способом и не «мгновенно», а ступенчато: от окрестностей источника до взаимодействия с окружающей средой.

Структура релятивисткой струи

Джеты часто описывают как многомасштабные:

Базовая зона

Очень компактная область рядом с центром.

Переходная зона

Где поток перестраивается: ускорение, перестройка поля, формирование устойчивой структуры.

Внешний поток / терминальные области

Где джет (релятивистская струя)  взаимодействует с окружающей средой: иногда образуются сильные ударные фронты, яркие области и расширяющиеся структуры.

В радиодиапазоне часто видно, что яркость и спектральные свойства меняются вдоль джета — это ключ к пониманию «где» и «как» происходит излучение.

Нестабильность

Реальные джеты (релятивистские струи)   нестабильны. Возможные эффекты:

  • неустойчивости плазмы
  • гидродинамические/магнитогидродинамические неустойчивости
  • изменение направления оси,
  • образование внутренних шоков из-за вариаций скорости/плотности.

Это может проявляться как:

  • волнообразность
  • «изломы»
  • локальные усиления яркости
  • изменения спектра и поляризации

Джет (релятивистская струя)  — не изолированный поток. Он:

нагревает и перемешивает окружающий газ,

может накапливать энергию в больших масштабах

влияет на формирование структур в галактическом окружении