[Перевод] Спросите Итана: как джеты чёрных дыр превращаются в космические пузыри?

Чтобы разогнать частицы до скорости, близкой к световой, вам необходим мощный источник энергии. В космосе звёзды могут разгонять частицы до довольно больших энергий, а взрывы сверхновых – создавать ещё более сильные вспышки. Самые сильные постоянные источники высокоэнергетических частиц – сверхмассивные чёрные дыры, встречающиеся в центрах крупнейших галактик. Но читатель, рассматривая структуры на крупнейших масштабах Вселенных, кое-чего не смог понять:

Мне очень понравилось видео с симуляции Illustris [компьютерная космологическая симуляция формирования галактик], настолько, что я нарыл её описание. И удивился: «То, что кажется взрывами, на самом деле исходит от сверхмассивных чёрных дыр, отправляющих потоки материала в межгалактическое пространство, вырезая при этом огромные пузыри». Это мне непонятно, поскольку я думал, что эти потоки материала летят по направлению одной оси, а не вырисовывают сферы.

Если кто из вас не видел её, то вот вам симуляция от проекта Illustris, показывающая эволюцию крупномасштабных структур, тёмной материи, газа и обычной материи, от самых ранних этапов развития Вселенной до наших дней.

На видео, примерно с момента 1:08, а особенно с момента 1:25, когда там появляется тёмная материя рядом с газом, заметны взрывы, происходящие в крупнейших узлах крупномасштабной структуры Вселенной. Их можно принять за взрывы сверхновых, но на самом деле такие взрывы случались бы слишком часто – по нескольку десятков тысяч раз на каждый кадр симуляции. Мы ведь и тёмную материю не можем увидеть, но симуляция демонстрирует её, чтобы помочь нам понять явление, оказывающее гравитационное взаимодействие. А если вам интересно, чем отличаются гравитационные эффекты от формирования структур и эффекты нормальной материи – находящейся в большинстве своём в форме газа – симуляция может продемонстрировать и это.

Тогда как тёмная материя формирует эти простые нитевидные структуры, управляемые лишь гравитационным притяжением и расширением Вселенной, физика нормальной материи – газа из протонов, нейтронов и электронов – гораздо сложнее. Газ не только собирается в комки, позволяющие ему формировать звёзды, галактики и скопления галактик, он также чувствителен к целому набору электромагнитных сил. Это значит, что на малых масштабах он кучкуется сильнее тёмной материи, а на больших межгалактических и межскопленческих масштабах он более рассеян, поскольку газ (и ионизированный газ в виде плазмы) может разгоняться до огромных скоростей.

Видео с четырьмя панелями демонстрирует звёзды и видимый свет, который должен зарождаться в регионе космоса размером в 33 миллиона световых лет в левой верхней панели, плотность газа в правой верхней, и – что самое важное – температуру газа в левой нижней панели. Обратите внимание на то, как температура газа повышается в местах тех самых сферических взрывов, появляющихся в основном из-за сверхмассивных чёрных дыр. Есть и другие важные механизмы разогрева газа и обратной связи, но конкретно эти особенности происходят из-за взрывов сверхмассивных чёрных дыр, продолжающихся от миллионов до сотен миллионов лет.

Галактика Центавра А, композиция из видимого света, инфракрасного и рентгеновского излучения

Но я понимаю, почему вы ожидаете, что этот разогрев примет форму сведённых в пучки потоков, поскольку именно это мы и наблюдаем, смотря, например, на сверхмассивные чёрные дыры в сердце галактики Центавра А, или в гигантской эллиптической галактике Мессье 87, ниже.

Галактика М87 и сильно коллимированный поток длиной 5000 световых лет

Так что, если материя в этих потоках ускоряется по таким сильно концентрированным линейным пучкам, почему же газ нагревается и расширяется таким очевидно сферическим манером? Чтобы ответить на этот вопрос, я попрошу вас подумать о том, о чём вы обычно не вспоминаете: о том, что видимая нами Вселенная не совпадает с реальной. К примеру, вот фото той же самой галактики, М87, и её джета, видимых в рентгеновском диапазоне телескопом Чандра (синий) и в радиоволнах телескопом VLT (красный), вместо того изображения, полученного телескопом Хаббла в видимом и ультрафиолетовом диапазонах.

И это уже никакие не джеты, не так ли? Они не сферические, но однозначно не вытянуты в линию. Причин тому две:
1. Газ и обычная материя постоянно притягиваются крупными галактиками и всеми крупномасштабными структурами, и большая часть спокойно проходит через этот джет.
2. Даже если галактика не двигается, то газ на её окраине крутится и совершает необычные движения, что приводит к его равномерному распределению.

Даже наш Млечный путь, со своей довольно спокойной и небольшой сверхмассивной чёрной дырой, демонстрирует два огромных лепестка высокоэнергетического излучения, обнаруженные телескопом Ферми.

Активное исследование, изучавшее излучение огромного количества источников, очень далеко продвинулось не только благодаря использованию цифровых симуляций, включая и проект Illustris, но и в предшествовавшие их появлению годы. В тех расцветающих взрывах в симуляции Illustris, вы наблюдаете не видимый свет, а температуру газа, и происходящим мы обязаны ответной реакции чёрных дыр. Это должно служить напоминанием о том, что когда мы смотрим во Вселенную, как посредством обсерваторий, так и через симуляции, в ней происходит гораздо больше событий, чем это заметно благодаря достигающему наших глаз свету звёзд.

И хотя видимый свет может испускаться только узким участком джета, специфическое движение окружающего его газа вкупе с простейшими физическими эффектами теплопередачи делает всё, чтобы энергетический газ распределялся по всему пространству, а не только по прямым линиям. Важно помнить, что видимые вами взрывы – это не видимый свет или материя; это иллюстрации температуры газа, и именно эти взрывы и происходят вокруг активных чёрных дыр!