Космический адронный коллайдер

Джет (англ. jet) - струя (воды, пара, газа, плазмы). Джет зарождается в области с повышенной плотностью энергии и движется из этой области по пути наименьшего сопротивления. В этой статье речь пойдёт о джетах, зарождающихся в активных ядрах галактик. Самый известный из них - это джет гигантской эллиптической галактики М87 (рис.1).

Это стационарный джет, в отличие от джетов, возникающих при гамма-всплесках и живущих доли секунды. Струя вещества, изображённая на фотографии, была открыта ещё в 1918 году. Одиночность джета была удивительна, так как теоретически должно быть два симметричных джета, истекающих из ядра в противоположных направлениях. И действительно, вторая, симметричная первой, струя была недавно открыта в радиодиапазоне. То, что излучения из струй получены в разных волновых диапазонах, можно объяснить направлением движения вещества: в одной струе по направлению к нам, в другой - от нас. Поэтому излучение из струй в одном случае смещено в фиолетовую сторону, а другом в красную. А поскольку вещество в струях движется с релятивистской скоростью, смещения излучений очень большие.

В настоящее время принята гипотеза, согласно которой джеты порождаются размещённой в ядре галактики сверхмассивной чёрной дырой. Ход доказательства данной гипотезы такой. Выдвигается предположение о вращении чёрной дыры в центре галактики и вращении вокруг чёрной дыры аккреционного диска. Выдвигается второе, дополнительное, предположение о сонаправленности (или напротив, противоположной направленности) вращений чёрной дыры и аккреционного диска. Возможно выдвижение и других дополнительных предположений. Исходя из стандартной модели, получают следствия из совокупности выдвинутых предположений, которые качественно объясняют наблюдаемую картину. Показательно, что различными авторами получены подтверждения как в пользу сонаправленности вращения чёрной дыры и диска, так и в пользу противоположного (ретроградного) направления их вращения. Но в обоих случаях остаётся много необъяснимых деталей, особенно в отношении спектров излучения из ядра. Возникающие затруднения достаточно обстоятельно перечислены в статье С.В. Назарова "Галактический центр - чёрная дыра или нет?".

Беда в том, что полученные теоретические выводы невозможно проверить прямыми наблюдениями ядер галактик даже для ближайших галактик из локальной группы. Несомненно одно: предположения, выдвигаемые для удалённых галактик, должны быть справедливыми и для нашей Галактики. Но до недавнего времени ядро нашей собственной галактики Млечный Путь также было ненаблюдаемым.

Однако, ситуация коренным образом изменилась с запуском космических телескопов - "Хаббл" в 1990 году и орбитального космического телескопа FUSE работавшего в ультрафиолетовом диапазоне в 1999 году.

Наблюдения телескопа FUSE показали, что скрытая масса в окрестностях Галактики объясняется не гипотетической тёмной материей, а присутствием высокоионизованного компонента барионной составляющей Вселенной. Именно этот высокоионизованный компонент обуславливает общий поток рентгеновского излучения с периферии нашей Галактики, а не чёрная дыра, как предполагалось до этого. Масса невидимых ранее барионов в гало Галактики оказалась сравнимой с массой всех её звезд. Сейчас готовится к запуску проекта УЛЬТРАФИОЛЕТ, который будет выполнять поиск скрытого барионного вещества в других галактиках .

Данные телескопа Хаббл окончательно поставили под сомнение гипотезу о сверхмассивных чёрных дырах в центрах Галактик. На снимке ядра нашей Галактики в инфракрасном диапазоне, сделанном Хабблом 10 лет тому назад, вместо ожидаемой чёрной дыры была обнаружена группа очень ярких двойных звёзд - так называемый квинтуплет. Поскольку галактика Млечный Путь является типичнейшим представителем галактик, так как бОльшая часть всех наблюдаемых галактик являются спиральными, то наличие чёрной дыры в ядрах других галактик также должно быть поставлено под сомнение.

Таким образом, к настоящему времени имеются прямые наблюдения, дающие основания отказаться от гипотезы чёрных дыр в центрах галактик. Но в таком случае должно быть предложено другое объяснение появления джетов. Причём желательно, чтобы предложенное объяснение не содержало новых фантастических гипотез. В активе остаются только два фактора: гравитация, вызывающая аккрецию, и магнитное поле галактики, влияющее на направление аккреции. Покажем, что этих двух факторов достаточно для объяснения образования джетов.

Рассмотрим результаты самых последних астрономисеских наблюдений нашей Галактики и результаты опытов на адронных коллайдерах.

Согласно последним астрономическим наблюдениям наша Галактика окружена массивным гало горячего газа с температурой в пределах от одного до двух с половиной миллионов градусов Кельвина. Радиус гало порядка десяти радиусов Галактики, а масса газа гало не уступает массе звёздной составляющей Галактики. Из этого следует, что плотность газа в гало Галактики порядка 0,1 см^-3. Обобщая этот результат, можно сделать вывод, что для гигантских галактик, подобных М87, в ядрах которых зарождаются джеты, плотность газовых гало будет, по крайней мере, не меньшей 0,1 см^-3. Но вероятнее, что даже на порядок больше, так как их масса на порядок больше массы нашей Галактики. А теперь приведём некоторые результаты опытов на адронных коллайдерах. Вот выдержки из статьи "Антимиры напоминают о себе":

На протяжении двух десятилетий, с 1955 по 1973 год, американские и советские ученые, а также исследователи, работающие в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН), открывали все новые античастицы: антипротоны, антинейтроны, а также ядра антидейтерия, антитрития, антигелия-3. … В прошлом году исследователям, работавшим на … ускорителе RHIC, удалось обнаружить антигелий-4."

При решении вопроса об условиях образования джета совершенно не важно, какие античастицы образуются в коллайдерах. Важно только одно: при столкновении двух струй материи с субсветовыми скоростями в коллайдере образуются частицы антиматерии.

Рассмотрим далее, как происходит аккреция газа на ядро галактики, имеющей мощное дипольное магнитное поле (рис.2а). При аккреции заряженных частиц в магнитном поле их траектории напоминают спирали, закрученные вокруг магнитных линий. Но частицы аккрецирующего газа гало пребывают то в нейтральном состоянии, то в заряженном, так как при столкновениях их между собой и с частицами газа галактики они то ионизуются, то рекомбинируют, вновь становясь нейтральными. Процесс ионизации-рекомбинации происходит с очень высокой частотой. Поэтому приблизительно половину времени аккрецирующие частицы газа пребывают в нейтральном состоянии. В период нейтральности, ускорение частиц направлено к центру галактики. Это приводит к тому, что аккрецирующий газ, начиная движение с различных направлений, в глубоких слоях галактики собирается магнитным полем в два узких жгута плазмы, движущихся к цетру галактики с околосветовой скоростью. То есть создаётся природный аналог адронного коллайдера (ускорителя на встречных пучках). Явления, характерные для земных адронных коллайдеров, будут иметь место и в данном случае, но только в космических масштабах. При столкновении встречных пучков плазмы образуется антиматерия. Для того, чтобы вспыхнул процесс аннигиляции, достаточный по мощности для образования стационарного джета (рис.2б), масса галактики должна быть очень большой, а магнитное поле очень мощным. Именно по этой причине далеко не у кажой галактики можно наблюдать джет. В большинстве же случаев аннигиляция просто вызовет повышенную активность ядра галактики.

Есть ещё одно соображение, свидетельствующее в пользу того, что джет порождается аннигиляцией аккрецирующего газа. Как уже было отмечено, джет зарождается в области с повышенной плотностью энергии и движется из этой области по пути наименьшего сопротивления. Материя джета представляет собой высокоионизованную плазму. А плазма беспрепятственно может перемещаться только вдоль магнитных линий. Следовательно, струя джета будет направлена по оси галактики навстречу аккрецирующему газу. Это должно вызвать в плазме джета сильную турбуленцию, что и видно на рис.1 невооружённым глазом.

Таково качественное описание возможной причины существования стационарных джетов. Разумеется, качественное описание желательно подкреплять количественными расчётами. Расчёт показывает, что при аннигилляции всей массы аккрецирующего газа мощность излучения за счёт аннигиляции будет порядка мощности всего излучения средней галактики. Это очень большая величина.

Но на вопрос о том, при каких условиях аннигилирует весь аккрецирующий газ, ответить пока невозможно. Хотя рождение антиматерии в коллайдерах при столкновении с субсветовыми скоростями двух струй материи есть общепризнанный опытный факт, но механизм этого явления нигде не обсуждается. Похоже, что необходимость понимания механизма рождения антиматерии, вынудит таки физиков вернуться к выяснению природы отвергнутого официальной наукой эфира (физического вакуума, вакуума). Начиная с вакуума Дирака и до наших дней ряд учёных, работающих вне русла официальной науки, занимается разработкой теории эфира, содержащего в себе в равной мере материю и антиматерию. Из различных теорий о природе эфира можно выделить работу А.В. Рыкова "Вакуум и вещество Вселенной". В этой работе получен ряд количественных соотношений, которые, возможно, подскажут подход к решению задачи о рождении антиматерии в коллайдерах. На основании опытных фактов автором установлено следующее. Наша Вселенная образована двумя главными компонентами - вакуумоподобной средой и веществом, обладающим массой. Среда обитания вещества имеет сложную структуру из безмассовой зарядовой решетки и квантов потока магнитной индукции, которые имеют прямое отношение к магнетизму, образованию массы и инерции материи. Показано, что при подводе к узлу решётки определённой порции энергии, происходит вылет двух частиц - материи и антиматерии. Помогут ли найденные автором соотношения прояснить процесс рождения антиматерии в коллайдерах - физикам предстоит ещё выяснить. Но начинать работать над этим вопросом можно уже сейчас.

1. Подготовлено проектом 'Астрогалактика'
2. Публикация проекта, 11 декабря 2012 года
3. Автор статьи Л.М. Топтунова
для проекта 'Астрогалактика'