Представьте, что где-то на другом конце Вселенной находится объект, который светит ярче целой галактики. Не ярче одной звезды, не тысячи и даже не миллиарда звёзд, а ярче их всех вместе взятых.
Звучит невероятно? Особенно если учесть, что источник этого света вовсе не гигантская звезда и даже не взрыв сверхновой. Наоборот, в центре этого объекта находится чёрная дыра, которая, казалось бы, вообще не должна ничего излучать. И всё же именно рядом с такими чёрными дырами рождаются одни из самых мощных источников энергии во Вселенной.
С Земли они выглядят как едва заметные точки света. И вот эта точка - настоящий энергетический монстр. Он разгоняет частицы до скоростей, о которых физики на Земле только мечтают. До некоторых из них миллиарды световых лет. Это очень много, но даже с такого расстояния мы регистрируем их излучение практически во всём диапазоне электромагнитного спектра: от радиоволн до гамма-лучей. Такие объекты называют блазарами.
Но здесь возникает вполне логичный вопрос. Если чёрная дыра по определению ничего не выпускает наружу, откуда вообще берутся эти гигантские струи плазмы? Почему они разгоняются почти до скорости света? И действительно ли один такой джет способен повлиять на жизнь целой планеты, если окажется направлен точно в неё? Чтобы разобраться, сначала нужно понять, как вообще устроен блазар и почему он считается одним из самых экстремальных объектов во Вселенной.
Что такое блазар и как он устроен?
В центре почти каждой крупной галактики находится сверхмассивная чёрная дыра. Например, в центре нашей галактики находится Стрелец A* чёрная дыра массой около четырёх миллионов Солнц. Но далеко не каждая такая чёрная дыра становится блазаром.
Если рядом почти нет вещества, она остаётся сравнительно спокойной. Конечно, её гравитация никуда не исчезает, но сама чёрная дыра практически не выдаёт своего присутствия. Именно поэтому Стрелец A* долгое время вообще не удавалось увидеть напрямую, о его существовании судили лишь по движению окружающих звёзд. Совсем другая картина возникает, когда к чёрной дыре начинает стекаться большое количество газа, пыли или вещества разрушенных звёзд.
Когда вещество начинает падать к чёрной дыре, оно уже движется вокруг чёрной дыры с огромной скоростью, поэтому вместо свободного падения начинают закручиваться вокруг неё, постепенно образуя гигантский вращающийся диск. Такой диск называют аккреционным. Именно здесь рождается большая часть энергии активного ядра галактики. Внутри диска частицы непрерывно сталкиваются друг с другом. Возникает сильное трение, вещество постепенно теряет скорость и всё ближе подходит к горизонту событий. Во время этого падения часть гравитационной энергии превращается в тепло и излучение - разогревается до миллионов градусов и начинает ярко светиться.
Но самое крутое происходит не в диске, а вокруг него. Из областей прямо у чёрной дыры, вдоль её оси вращения, вырываются те самые релятивистские джеты. Некоторые из них тянутся на тысячи, а иногда и на миллионы световых лет, и долгое время астрономы вообще не понимали, как такое возможно. Ведь если чёрная дыра ничего не выпускает наружу, то что тогда образует эти гигантские потоки?
На самом деле джеты рождаются не внутри чёрной дыры, а рядом с ней.
Вокруг аккреционного диска существуют колоссальные магнитные поля. Сам диск вращается с огромной скоростью, а если вращается ещё и сама чёрная дыра, магнитные линии начинают буквально скручиваться. В какой-то момент накопленная энергия начинает высвобождаться, направляя часть плазмы вдоль оси вращения. Именно так появляются два противоположных джета. Затем магнитные поля продолжают удерживать эти струи, не давая им рассеяться, а частицы внутри разгоняются почти до скорости света. Это так называемый механизм Блэндфорда–Знайека. Хотя отдельные детали всё ещё активно изучаются, именно эта модель лучше всего объясняет, каким образом вращение чёрной дыры и её магнитное поле способны питать такие колоссальные выбросы энергии.
Кстати, иногда можно услышать, что чёрная дыра «выбрасывает вещество». На самом деле это не так. Всё, что пересекло горизонт событий, уже никогда не покинет чёрную дыру. Джеты состоят из вещества, которое ещё не успело упасть внутрь. Они рождаются в окружающей области, где гравитация, магнитные поля и вращение создают по-настоящему экстремальные условия. Именно поэтому мы видим не саму чёрную дыру, а последствия её колоссального влияния на окружающее пространство.
Тогда почему именно блазар, а не просто «чёрная дыра»?
Здесь всё дело в ракурсе.
Представьте обычный садовый шланг с мощной струёй воды. Если смотреть на него сбоку, струя кажется вполне обычной. Но если направить её прямо себе в лицо, ощущение будет совершенно другим. С джетами происходит почти то же самое. Активные галактики существуют в огромном количестве. У многих есть релятивистские джеты. Но только в редких случаях один из них оказывается направлен почти точно на Землю. Именно тогда астрономы называют такой объект блазаром. Если бы ту же самую галактику мы наблюдали под другим углом, она выглядела бы уже как квазар или радиогалактика. То есть меняется не сам объект, а наше положение относительно него. По сути это вопрос перспективы.
Кстати, с этим же связана и его яркость, так как тут в игру вступает эффект, который Эйнштейн бы точно оценил: доплеровское усиление. Когда источник излучения мчится к нам почти со скоростью света, его свет как бы «сжимается» по времени, частоты повышаются, яркость многократно возрастает. Из-за этого блазар кажется в сотни раз ярче, чем при наблюдении сбоку. Мы видим не просто далёкий объект, а направленный на нас поток энергии, способный переплюнуть по светимости всю галактику, в которой он находится.
Из чего состоит блазар
Если представить блазар в разрезе, его устройство окажется не таким уж сложным. Все самые важные процессы происходят буквально в нескольких областях.
В самом центре находится сверхмассивная чёрная дыра. Именно она удерживает вокруг себя огромное количество вещества и создаёт условия, при которых становится возможным всё остальное.
Вокруг неё вращается аккреционный диск - раскалённое кольцо газа и пыли. Здесь вещество постепенно теряет энергию, нагревается до миллионов градусов и начинает ярко излучать.
Над диском расположена горячая плазма, которую называют короной. Она испускает в основном рентгеновское излучение и играет важную роль в энергетике всей системы.
Ну а главная «достопримечательность» блазара это, конечно, два релятивистских джета. Частицы внутри этих струй несутся почти со скоростью света, а сами джеты могут уходить далеко за пределы своей галактики.По сути, джет это огромный природный ускоритель частиц.
Мы строим ускорители длиной в десятки километров, чтобы разогнать частицы до максимально возможных энергий. Самый известный из них - Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе. Но даже он выглядит очень скромно на фоне того, что происходит рядом с активной чёрной дырой. Внутри джета электроны, протоны и, возможно, более тяжёлые атомные ядра разгоняются до энергий, которые в миллионы раз превосходят возможности земных ускорителей. Возникает закономерный вопрос: что вообще может так разогнать частицы? Точного ответа пока нет. Но сегодня у астрономов есть несколько наиболее вероятных объяснений.
Первое связано с ударными волнами. Внутри джета быстрые участки плазмы сталкиваются с медленными, возникают фронты ударных волн, и частицы, многократно проходя через них, каждый раз подхватывают энергию, это называется ферми-ускорением.
Но есть и другой кандидат - магнитные поля. Джеты буквально пронизаны магнитными полями. Но это не те магнитные поля, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни. Они настолько мощные и сложные, что сами становятся источником энергии. Иногда магнитные линии меняют свою конфигурацию и словно «переподключаются» друг к другу. В физике этот процесс называют магнитным пересоединением или магнитной рекомбинацией. Когда их конфигурация резко меняется, огромное количество энергии почти мгновенно передаётся окружающей плазме. Нечто похожее происходит и на Солнце во время мощных вспышек. Правда, рядом со сверхмассивной чёрной дырой масштабы оказываются несравнимо больше.
Кстати, светимость самых мощных блазаров достигает 10⁴⁶–10⁴⁸ эрг в секунду.
Если вы не физик, вам это ничего не скажет, поэтому лучше сравнить иначе. В такие моменты один-единственный блазар может излучать столько же энергии, сколько триллионы солнцеподобных звёзд вместе. И самое удивительное, что источником этой энергии остаётся объект, который сам по себе вообще не испускает света. Чёрная дыра не светится. Светится вещество, которое ещё не успело в неё упасть.
А ещё блазары - кандидаты в источники космических лучей. Вообще, космические лучи сверхвысоких энергий одна из главных загадок астрофизики. Откуда берутся частицы с энергией 10²⁰ эВ? Блазары - один из главных подозреваемых. Их энергетика, направленность и физические условия позволяют разгонять протоны до таких значений. Если это подтвердится, то мы наблюдаем не просто яркую точку, а фабрику самых энергичных частиц во Вселенной.
Опасны ли блазары для нас?
Теоретически да. Если джет окажется направленным точно на обитаемую планету, а источник будет достаточно близко (скажем, в пределах десятков миллионов световых лет), поток гамма-излучения и частиц может разрушить озоновый слой, поднять радиационный фон и вызвать биологический коллапс. Но вероятность такого совпадения ничтожно мала. Джеты узкие, блазары редки, активная фаза длится не вечно. Это скорее страшилка для любителей пощекотать нервы, чем реальная угроза. Скорее всего, мы в безопасности.
А может ли наш Млечный Путь стать блазаром?
В центре нашей галактики черная дыра Стрелец A*, массой около 4 миллионов Солнц. Сейчас она спит. Но через 4–5 миллиардов лет мы столкнёмся с Андромедой. Тогда приток газа может разбудить чёрную дыру. Станет ли она блазаром? Вряд ли. Для этого джет должен попасть точно в Землю, что крайне маловероятно. Но активной стать вполне может. Так что наши далёкие потомки, возможно, увидят в центре неба яркое ядро, но это уже не наша забота.
