Πως δημιουργούνται οι πίδακες στους ενεργούς γαλαξίες; Μέρος Α: Τα συστατικά των ενεργών γαλαξιών

Μάλλον όλοι μας έχουμε δει εικόνες ενεργών γαλαξιών, όπου ένα κεντρικό αντικείμενο εκτινάσσει δύο έντονα ευθυγραμμισμένους πίδακες που εκτείνονται σε πολύ μεγάλες αποστάσεις, έως και εκατοντάδες χιλιάδες έτη φωτός (εικόνα 1). Υπάρχουν ενδείξεις ότι οι πίδακες περιέχουν σωματίδια τα οποία ταξιδεύουν με ταχύτητες πολύ κοντά στην ταχύτητα του φωτός (δηλαδή υπερσχετικιστικά). Οι πίδακες αυτοί θεωρούνται μια πιθανή πηγή των κοσμικών ακτίνων: μια μίξη πρωτονίων και πυρήνων με πολύ υψηλή ενέργεια. Όταν οι κοσμικές ακτίνες φτάνουν στη Γη, συγκρούονται με τα σωματίδια της ατμόσφαιρας και παράγονται επακόλουθες γενιές ενεργητικών σωματιδίων, τα οποία και μας διαπερνούν συνέχεια.

Πώς όμως ένα τόσο μικρό κεντρικό αντικείμενο (για αναλογία φανταστείτε ένα μπαλάκι του τένις να είχε πίδακες που η διάστασή τους θα ήταν όση η διάμετρος της Γης) είναι σε θέση να παρέχει τόση ενέργεια και με ποιο μηχανισμό συντηρεί ένα τέτοιο φαινόμενο, τόσο μεγάλης κατευθυντικότητας και μεγέθους;

Η αλήθεια είναι ότι οριστική απάντηση σε αυτό το ερώτημα δεν έχει δοθεί ακόμα. Η πληθώρα διαφορετικών συμπεριφορών που έχουν παρατηρηθεί στους πίδακες, δεν μπορούν να ταιριάξουν εύκολα με ένα και μοναδικό μοντέλο, έτσι αποτελούν ένα από τα πιο έντονα ερευνητικά πεδία της αστροφυσικής υψηλών ενεργειών. Έχει υπάρξει όμως σημαντική πρόοδος στην οποία συμβάλλει η χρήση νέων ισχυρών τηλεσκοπίων σε ραδιοκύματα, ακτίνες Χ και γ όπως είναι τo VLA, το EHT, το Chandra, το Fermi και πολλά άλλα.

Οι περισσότεροι ερευνητές συμφωνούν στα εξής βασικά στοιχεία που αποτελούν τους ενεργούς γαλαξίες [1]:

• Μια υπερμεγέθης, περιστρεφόμενη (ονομάζεται και τύπου Κerr) μελανή οπή στο κέντρο, μάζας ίση με δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του Ήλιου, αποτελεί την πηγή ενέργειας του ενεργού γαλαξιακού κέντρου. Η περιστροφή της μαύρης τρύπας συμπαρασύρει μια περιοχή του χωροχρόνου έξω από τον ορίζοντα γεγονότων (για όσους δε θυμούνται, ορίζοντας γεγονότων μιας μαύρης τρύπας είναι το σύνορό της από το οποίο πλέον δεν μπορεί να ξεφύγει τίποτα, ούτε το φως), η οποία εκτείνεται μέχρι ένα στατικό όριο που ο χωρόχρονος σταματά να περιστρέφεται. Η περιοχή αυτή ονομάζεται εργόσφαιρα και μπορεί να εκτείνεται από μηδενική ακτίνα στην περίπτωση μιας μη περιστρεφόμενης μελανής οπής (αυτές ονομάζονται και τύπου Schwarzschild) έως και διπλάσια του ορίζοντα γεγονότων αν είναι μέγιστα περιστρεφόμενη. Το όνομα εργόσφαιρα οφείλεται στο γεγονός ότι μπορεί να αποσπαστεί ενέργεια από τη μελανή οπή με τη μορφή έργου ή μάζας, μειώνοντας την ταχύτητα περιστροφής της, σε αντίθεση με τον ορίζοντα γεγονότων που ό,τι τον περάσει χάνει κάθε επαφή με το εξωτερικό περιβάλλον. Οποιοδήποτε σώμα μπει στην εργόσφαιρα, για κάποιον απομακρυσμένο εξωτερικό παρατηρητή, φαίνεται αναγκαστικά να περιστρέφεται στην ίδια κατεύθυνση με τη μαύρη τρύπα και δεν είναι ποτέ στατικό, ακόμα κι αν κινείται αντίθετα, εξαιτίας ενός φαινομένου που λέγεται παράσυρση πλαισίου αναφοράς (frame-dragging) ή Lense-Thirring. Μοιάζει λοιπόν με μια χωροχρονική “ρουφήχτρα” που συμπαρασύρει μαζί της τα αντικείμενα, τα οποία όμως μπορούν να επιταχυνθούν και να κερδίσουν ενέργεια, αν καταφέρουν να εισέλθουν και να εξέλθουν από την περιοχή αυτή.

• Ένας δίσκος προσαύξησης, με διάφορα πάχη και γεωμετρίες (λεπτός έως πιο φουσκωμένο σχήμα τόρου, δηλαδή σαν τα γνωστά ντόνατ με τρύπα), από ύλη που έλκεται βαρυτικά από τη μαύρη τρύπα και παίρνει αυτό το σχήμα καθώς περιστρέφεται. Λόγω των αλληλεπιδράσεων και των αυξανόμενων ταχυτήτων των σωματιδίων, ο δίσκος αναπτύσσει μεγάλες θερμοκρασίες που ιονίζουν την ύλη του κατά την περιστροφή του γύρω από τη μαύρη τρύπα. Έτσι το υλικό του βρίσκεται σε κατάσταση πλάσματος, αποτελείται δηλαδή από θετικά φορτισμένα ιόντα και ηλεκτρόνια. Κάποια από αυτά τα φορτισμένα σωματίδια εισρέουν και στην εργόσφαιρα με σημαντικές συνέπειες που θα δούμε όταν εξετάσουμε τους μηχανισμούς παραγωγής πιδάκων. Οι ερευνητές θεωρούν ότι οι δίσκοι παίζουν πολύ βασικό ρόλο στον μηχανισμό των πιδάκων μιας και έχει παρατηρηθεί η συσχέτιση [2] ότι όσο πιο λαμπρός είναι ο δίσκος, τόσο πιο ισχυροί είναι οι πίδακες.

• Μαγνητικά πεδία γύρω από τη μελανή οπή που εδραιώνονται και στο δίσκο προσαύξησης. Αυτά μπορεί να δημιουργούνται από φορτισμένη ύλη που έχει προσπέσει μέσα στη μαύρη τρύπα από το δίσκο ή από το ενδογαλαξιακό υλικό. Επίσης, μπορεί να προέρχονται από την κίνηση του φορτισμένου υλικού του δίσκου με κάποια διαδικασία δυναμό ή από εγκλωβισμό και συμπίεση κάποιου γαλαξιακού εξωτερικού μαγνητικού πεδίου κατά τη δημιουργία του δίσκου (τα σωματίδια που δημιουργούν το δίσκο, αλληλεπιδρώντας με το μαγνητικό πεδίο, μεταφέρουν τις δυναμικές γραμμές του και το κάνουν πιο πυκνό). Θεωρούνται απαραίτητα γιατί χωρίς αυτά, παρότι θεωρητικά ο δίσκος προσαύξησης από μόνος του μπορεί να δημιουργήσει ένα υδροδυναμικό “χωνί” για να λειτουργήσει ως βάση ευθυγράμμισης του πίδακα, δεν μπορεί να ερμηνεύσει τις ενέργειες και την κατευθυντικότητα των πιδάκων που παρατηρείται. Επειδή η ύλη εκεί είναι σε μορφή πλάσματος, τα φορτισμένα σωματίδια επηρεάζουν με την κίνηση τους τα μαγνητικά πεδία, τα οποία με τη σειρά τους επηρεάζουν την κίνηση των σωματιδίων*. Η μεγάλη αυτή μεταβλητότητα του μαγνητικού πεδίου μπορεί να δημιουργήσει ηλεκτρικά πεδία που επιταχύνουν τα σωματίδια σε μεγάλες ενέργειες.

• Άνεμοι σωματιδίων γύρω από το δίσκο προσαύξησης. Το μαγνητικό πεδίο έχει δυναμικές γραμμές οι οποίες συμπαρασύρουν σωματίδια δημιουργώντας έτσι ανέμους που ίσως έχουν κάποια συνεισφορά στην ευθυγράμμιση των πιδάκων. Τα σωματίδια μπορεί να προέρχονται απευθείας από το δίσκο με μεταφορά τους σε ροές (ADAF μοντέλα) ή να προέρχονται από μια περιοχή με αραιό, καυτό πλάσμα πάνω από το δίσκο, η οποία ονομάζεται κορώνα.

• Οι ίδιοι οι πίδακες. Για να δημιουργηθούν οι πίδακες χρειάζονται μια βάση είτε υδροδυναμική, είτε μέσω μαγνητικών γραμμών που θα παρέχει την είσοδο (κάτι που μοιάζει με χωνί) κοντά ή μέσα στην εργόσφαιρα της μαύρης τρύπας στην οποία τα σωματίδια τροφοδοτούνται με ενέργεια ώστε να επιταχυνθούν σε σχετικιστικές ενέργειες και να ευθυγραμμιστούν. Ο τρόπος που μεταφέρεται συνεχώς ενέργεια στα σωματίδια σε όλο το μεγάλο μήκος των πιδάκων δεν είναι ακόμα ξεκάθαρος αλλά έχουν προταθεί μηχανισμοί όπως κρουστικά κύματα ή μαγνητική επανασύνδεση. Αυτοί οι μηχανισμοί θεωρούνται ικανοί να τα ανατροφοδοτούν με ενέργεια και να τα διατηρούν σε αυτές τις υψηλές ενέργειες .

Στο επόμενο μέρος, θα δούμε πώς μπορούμε να βάλουμε όλα αυτά τα συστατικά μαζί ώστε να εξηγήσουμε τους μηχανισμούς που παράγουν τους αστροφυσικούς πίδακες σε ενεργούς γαλαξίες!

*Η μελέτη της κίνησης του πλάσματος σε συνδυασμό με τα μαγνητικά πεδία γίνεται με τις εξισώσεις της μαγνητοϋδροδυναμικής στη περίπτωση που το πλάσμα είναι αρκετά πυκνό και με αρκετές συγκρούσεις ώστε να συμπεριφέρεται σαν ρευστό. Αν αντιθέτως είναι πολύ αραιό, κυριαρχούν δυνάμεις μεγάλης εμβέλειας που διαμορφώνουν το πλάσμα χωρίς συγκρούσεις και χρειάζονται οι λεγόμενες κινητικές εξισώσεις. Αυτές εξετάζουν με στατιστικό τρόπο πλέον τις κινήσεις των σωματιδίων και τη κατανομή τους, η οποία καθορίζει και τα πεδία με έναν αυτοσυνεπή τρόπο (εξισώσεις Vlasov-Maxwell).

Πηγές:

[1] https://cds.cern.ch/record/523342/files/0110394.pdf

[2] https://www.sciencemag.org/news/2014/11/what-powers-black-holes-mighty-jets

[3] https://www.vox.com/the-highlight/2019/7/16/17690740/cosmic-rays-universe-theory-science