Астрономы давно знают: во Вселенной существуют мощные узкие потоки вещества — джеты, которые вырываются из окрестностей чёрных дыр, молодых звёзд и других компактных объектов. Но как именно в этих струях частицы разгоняются до колоссальных энергий, сравнимых с самыми мощными космическими лучами? Новое исследование предлагает универсальную модель, которая объясняет этот процесс для разных типов астрофизических систем.
Джеты: от протозвёзд до активных галактик
Джеты встречаются в самых разных масштабах — от молодых звёзд до центров галактик. Они могут двигаться с разной скоростью: от сотен километров в секунду у протозвёзд до почти световых скоростей у активных галактических ядер. Несмотря на различия, у них есть общая черта — они распространяются в окружающей среде и взаимодействуют с ней.
Когда струя движется быстрее скорости звука в окружающем газе, в ней неизбежно возникают ударные волны. Именно они играют ключевую роль в ускорении частиц.
Реколлимационные ударные волны — скрытые ускорители
Особое внимание в работе уделено так называемым реколлимационным ударным волнам. Они возникают, когда струя, расширяясь, сталкивается с давлением окружающей среды. В результате поток «сжимается» обратно к оси — отсюда и название.
Такие ударные волны могут быть устойчивыми и существовать длительное время. Несмотря на наклон относительно направления движения струи, они остаются достаточно сильными, чтобы эффективно разгонять частицы.
Механизм ускорения основан на процессе диффузионного ускорения на ударных волнах: частицы многократно пересекают фронт волны, каждый раз набирая энергию.
Кокон вокруг струи
Когда джет пробивает окружающую среду, вокруг него формируется так называемый «кокон» — область горячего и сжатого газа. Этот кокон играет важную роль:
- он ограничивает расширение струи,
- способствует формированию реколлимационных ударных волн,
- влияет на структуру и динамику потока.
Фактически, давление кокона заставляет струю менять форму — из расширяющейся она становится более узкой и стабильной.
Где рождаются самые энергичные частицы
Модель показывает, что реколлимационные ударные волны могут быть основным местом ускорения частиц в субрелятивистских джетах (то есть не слишком близких к скорости света).
Результаты сильно зависят от типа объекта:
Активные галактики (Сейфертовские)
Здесь частицы могут разгоняться до энергий:
- от петаэлектронвольт (PeV)
- вплоть до эксаэлектронвольт (EeV) при благоприятных условиях
Это сопоставимо с энергиями самых мощных космических лучей.
Микроквазары
В нашей галактике такие системы способны ускорять частицы до:
- нескольких PeV
Недавние наблюдения в диапазоне TeV подтверждают, что они действительно могут быть источниками высокоэнергичных космических лучей.
Протозвёздные джеты
Здесь энергии значительно ниже:
- от гигаэлектронвольт (GeV) до тераэлектронвольт (TeV)
Тем не менее даже такие объекты способны производить высокоэнергичное излучение.
От чего зависит максимальная энергия
Исследование показывает, что максимальная энергия частиц определяется несколькими ключевыми параметрами:
- скоростью струи,
- плотностью окружающей среды,
- мощностью выброса,
- углом раскрытия джета,
- свойствами магнитного поля.
Особенно важно, что более узкие струи способны разгонять частицы до более высоких энергий. Это связано с тем, что в таких условиях частицы дольше удерживаются в зоне ускорения.
Как ведут себя частицы внутри джета
Модель также описывает, как частицы распространяются вдоль струи:
- перед ударной волной их концентрация быстро падает — туда проникают только самые энергичные частицы;
- после волны поток частиц становится более равномерным и переносится вместе со струёй;
- на границе джета возможен выход частиц наружу.
Часть ускоренных протонов может покидать струю и распространяться в окружающем коконе, создавая наблюдаемые сигнатуры — например, гамма-излучение.
Почему это важно
Работа объединяет в одной модели разные типы астрофизических джетов — от протозвёзд до галактических ядер. Это помогает лучше понять:
- происхождение космических лучей,
- механизмы высокоэнергичного излучения,
- связь между динамикой струй и наблюдаемыми сигналами.
Главный вывод: даже «медленные» по космическим меркам джеты способны эффективно ускорять частицы, а реколлимационные ударные волны играют в этом процессе центральную роль.
Это делает их важными кандидатами на роль источников космических лучей и высокоэнергичного излучения во Вселенной.
Источники:
Статья создана по материалам работы на arXiv.org
