Введение к работе
Актуальность темы За последние 20 лет многочисленные строномические наблюдения в радио-, а иногда и в оптическом иапазсне, показали, что струйные выбросы или джеты широко аспространены среди радиогалактик. Даже в тех случаях, когда udpoc не виден, зачастую наблюдается поразительная коллинеарность дра и Енешних. горячих пятен, которая свидетельствует об сключитєльной прямолішейнссти выброса, простирающегося шюгда на асстояния в сотни кпе. Нет сомнений в том, что джеты представляют обой физические каналы, по которым осуществляется перенос массы, «пульса и энергии из ядра во внешние компоненты. Важным является акже тот факт, что в Природе существуют дзкеты и гораздо меньших азмеров. Это мелкомасштабные выбросы, наблюдаемые в нашей алактике, и возникающие в окрестностях релятивистских компактных Зъектов (SS 433, Скорпион Х-1, "великій аннигилятор" в крестности галактического центра), а также в окрестностях молодых вездных объектов. Факт существования выбросов на различных асштабах и при различных физических условиях говорит о том, что Зразование джетов является общим, широко распространённым язическим феноменом.
При рассмотрении струйных выбросов неизбежно возникают. 2
риншпиальных вопроса. Первый связан с проблемой образования
сбросов, второй касается того, как выбросы сохраняют свою
злостность и направленность при прохождении через межзвездную
?еду. Второй вопрос важен и интересен, поскольку все
груеподобные потоки, известные на земле, чрезвычайно неустойчивы,
настоящее время представляется вероятным, что в основе различных
шов проявления активности галактических ядер (у радиогалактик,
зазаров, сейфертовских галактик, лацертид) лежит единый
ізичеокий механизм. Наиболее распространена точка зрения,
эгласно которой "центральная машина", поставляющая энергию
^средством джетов в протяженные радиокомпоненты, и ответственная
з излучение центрального источника, есть сверхмассивная (масса
д. ~ до1 — Ао"3 Л-q -' черная дыра, окруженная
аккреционным диском или тором. Хотя другие точки зрения на прирі "центральной машины" (сверхмассивная быстровращающаяся звез, плотное скопление звезд нормальной массы) все еще имеют право существование, однако такие объекты должны быть столь компактны что их времена жизни по отношению к гравитационному сжат приводящему к образованию сверхмассивной черной дыры, как праві должны быть меньше характерного времени жизни радиоисточников ~ Ю'*— Ю лет). Таким образом, разумно считать, ' другие модели соответствуют коротксживущим предшественнш сверхмассивных черных дыр, и, хотя может быть некоторые наименее активных АЯГ могут обеспечиваться энергией за счет таї предшественников, большинство АЯГ обеспечивается энергией за а-черных дыр. Наблюдательными аргументами в пользу еущеетвоваї сверхмассивных черных дыр в активных ядрах галактик (АЯГ) являют высокая компактность центрального источника оптического излучеі (отношение размера источника R к его гравитационному радиусу 1 у некоторых источников R-Ai,,'4''! , у многих других 12-/1^,4100) наблюдения распределения яркости излучения' и лучевой скорое звездной компоненты галактик. Недавние такие наблюдения я; галактики М 87, выполненные на космическом телескопе им. Хаббл свидетельствуют о наличии в центре етой галактики компактне объекта с массой М.~ 4-1(^ А и с компактное^ R/ij <. 50
В окрестность черной дыры вещество поставляется либо пуч гравитационного затягивания окружающего газа, либо пуч приливного разрушения пролетающих мимо звезд. Т.к. черные да находятся в центре вращающихся галактик, то газ облад значительным угловым моментом, препятствующим его радиальнс падению в черную дыру. Поэтому основная часть аккрецируемого ге образует диск, обращающийся вокруг черной дыры. Веледсть описанного Бардиным и Петтерсоном эффекта "стандартнь а-диск на расстояниях < "100 t — г — гределеят ориентацию джетов. Существенную роль в механизме образования и коллимации дкетов грают магнитные поля. Оценки показывают, что на зсштабе порядка гравитационного радиуса упорядоченное згнитное поле дсллно иметь величину В ~ ^04 Гс Впервые чектромагнитный механизм образования джетов в магнитосфере скрециогоюго диска был предложен Елэндфордсм в 1976 зду, а затем аналогичная идея была высказана Лавлейеом. В 1977 зду Блэндфорд и Знаек рассмотрели магнитосферу керровской черной фы и показали, что энергия и вращательный момент черной дыры згут быть извлечены посредством электромагнитного поля. Они же зедложили для оішсания плазмы и полей е срестнссти черной дыры использовать бессиловое приближение. Для описания истечения из аккреционного диска оказалось более здходящим использование релятивистской магнитной гидродинамики, ?м беосиловой &лектродинамикп. По исследованию физики асимметричных стационарных МГД течений выполнено к настоящему земени много .работ, исследующих асимптотику решений'- и ітсмодельнне случаи, однако задача построения самосогласованного 'верного решения, преходящего гладко через особые точки, до' сих >р не решена. В связи с отим представляет интерес разработка {иного подхода к изучению осесимметричных стационарных МГД ?чений в сильном гравитационном поле керровской черной дыры. »ясным оставался также вопрос о механизме образования плазмы, іполняющей область вблизи черной дыры и формирующей іектронно-позитронньіе джетн, хотя на необходимость и зшшипиальную возможность этого указали еще Блэндфорд и Знаек в )77 году, а затем указывали и многие другие авторы. Иселедовашіе !тойчивости релятивистских бессиловых джетов представляет интерес ж с точки зрения фундаментальной 'физики, так, и с точки зрения ярофнзики активных галактик. Таким образом, исследование эрмирования и устойчивости електрошго-позитронных іегалактичеоких джетсв является интересной и актуальной проблемой >времекной астрофизики. Целью работы является исследование устройства бессшювой стационарной осесимметричной магнитосферы сверхмассивной черной дыры, образования электронно—позитронных джетов, связанных с черной дырой, их устойчивости и распространения возмущений вдоль бессиловых джетов. Научная новизна работы Впервые получено в самом общем случае ровской черной дыры, окруженной аккреционным диском- Рассмотрен процесс рождения электронно-позитронных пар вблизи горизонта событий черной дыры в тонком зазоре, разделяющем области с разными знаками пространственного заряда в магнитосфере. Найдена толщина зазора и характерная энергия частиц в нем в предположении с степенном спектре излучения АЯГ в ультрафиолетовой и мягкое рентгеновской области. Впервые исследовано на устойчивость релятивистское магнитогйдродинамическое течение в бессиловог. приближении. Путем применения преобразования Лапласа указане правило обхода особых точек в уравнении на радиальные моды, разработана численная процедура решения краевой задачи для втогс уравнения. Показано, что бессиловой циллиндрический дает, распространяющийся в холодной плотной среде, устойчив при все] скоростях продольного течения и вращения. Предсказано явленії! "стоячей волны" при распространении возмущений по джету, т.е выделение из всего спектра пространственных частот возмущени; нескольких длин волн, характеризующих равновесную конфигурации ;ета. Показано, что гребни "стоячей волны" движутся с фазовой :оростью, превышавшей скорость света, что является новым типом іерхсветового источника в джетах и приводам к предсказанию іратішх видимых движений уярчений в джетах. Научная и практическая ценность работы Результаты сведенного в диссертации исследования могут быть использовавн и дальнейшем теоретическом изучении магнитосфер сверхмассивных рннх дыр с источником плазмы. Полученное уравнение монет быть пользовано (и используется) для решения задач об оеесимметричных ационарных магіштогидродинамичеоких (и чисто гидродинамических) чений на фене метрики Керра, как то аккреция вещества покоящейся и движущейся черной дырой, ежекция плазмы из осееимметричнего гнитного ротатора (пульсар, аккреционый диск), формирование етов вблизи черных дыр и нейтронных звезд. Вывод об устойчивости сеилового плазменного цилиндрического потока в случае породного продольного магнитного поля и плотной внешней среды зволяет думать,- что., в более общей постановке задачи для иятивистского МГД'джета, распространяющегося в среде с зтностью, сравнимой с плотностью частиц внутри диета, и зтностью электрического и магнитного полей, инкременты зстранственного роста возмущений из-за неустойчивости гьвина-Гельмгольца будут меньше, чем для случая нерелятивистской I. Обоснованный метод обхода в комплексной плоскости радиуса )бнх точек в уравнении для радиальных мод может использоваться і . решении других задач устойчивости гидродинамических шндрических течений. Предсказанное явление "стоячей волны" іволяєт поставить задачу наблюдения обратных движений уярчений в !тах, скорее Есего, в непосредственной близости от центрального очника. юбация работы Основные результаты, полученные в диссертации, задавались на: Симпозиуме Парижского Института Астрофизики "Внегалактические доисточники: От пучков к диетам" (Парик, 1992); XXVI Конференции Молодых Европейских радиоастрономов (Лез-Уш, XXV Всесоюзной Радиоастрономической конференции (Пущино, 1993); XXVII Конференции Молодых Европейских радиоастрономов (Кембридж, а также на научішх семинарах ФИАН, АКЦ, ГАШ и опубликованы в 7 печатных работах. Структура, и объем диссертации Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 120 страниц, включая список литературы из 101 библиографической ссылки и 23 рисунка. На защиту выносятся следующие результаты: 1) Получено в общем случае метрики Керра уравнение на Оценены границы применимости выведенного уравнения для АЯГ. Описываемый подход применим для АЯГ со светимостью Построено приближенное решение бессилового варианта основного уравнения, описывающее магнитосферу медленно вращающейся черной дыры, окруженной аккреционным диском. Кснкретизован источник заполнения электрон-позитроннсй плазмой магнитосферы керровской черной дыры - рождение пар возле горизонта событий черной дыры вблизи поверхности, разделяющей области с разными знаками пространственного заряда в стационарной осесжшетричной магнитосфере. В частности а) Показано, что предложенный механизм должен всегда работать, б) для типичных значений параметров центральных областей АЯГ -б- квазаров оценен размер области рождения плазмы Н и энергия стиц в ней. в) Путем решения самосогласованной задачи о распределении заряда сдельного электрического тока в магнитосфере. г) Рассчитана форма зазора в модели бессиловой магнитосферы (см. Показано, что цилиндрический бессшгавый джет с однородным одольным магнитным полем, движущийся в плотной среде, всегда тойчив по отношению к оеесимметричным возмущениям и устойчив по ношению к нессесимметричным возмущениям в широком диапазоне лновых чисел га, к и скорости вращения SI (т.) Обнаружено явление "стоячей волны" (см. введение). Делаются едеказания наблюдательного характера. Обнаружение обратного ижения цепочки пятен в цкете к центральному ядру идетельствовало бы о реализации в природе явления "стоячей лны" и было би доводом в пользу релятивистских скоростей ижония в джэтах и 'их сильней замагничеыностя.
уравнение в частных производных второго порядка типа
Грэда-Шафранова на функцию магнитного потока , описывающее
ссесимметричные стационарные МГД-течения в окрестности Керровской
черной дыры. Показывается, как ото уравнение меняет тип от
эллиптического к гиперболическому ігри переходе через быструю
магнитозвуковую точку. Найдено, что осноеной фактор,
ограничивающий применимость этого уравнения, - взаимодействие
частиц с фотонами излучения- Показано, что бездиссипативное
МГД-приближение применимо при светимости центрального источника
меньшей эддингтсновской. Решена модельная задача об устройстве
бессиловой магнитосферы медленно вращающейся ( & С^. AL ) кер-
1993);
1994);
полоидальное магнитное поле, нозволящее описать широкий класс
бездиссипативаых мТД-течений в окрестности вращающейся черней
дыры (основное уравнение). Тем самым открывается возможность
последовательного изучения процессов, происходящих в компактных
источниках и, в частности, становится возможным построение
самосогласованной модели магнитосферы таких объектов.
когда происходит процесс Блвндфорда-Знаека отбора энергии у черной
дыры.
концентрации частиц в зазоре найдена зависимость Н от
нкт {6)).