Relativistic Astrophysical Jets. The presence of collimated supersonic outflows (jets) is common to several astrophysical scenarios from young stellar objects to galaxies with nuclear activity. The authors review the present theoretical and observational status of jets from active galaxies in which the detection of superluminal motions is interpreted as indication of relativistic flows. They also discuss the role played by recent fluid dynamical relativistic simulations in the interpretation of these objects.
El 1918, quan H. D. Curtis va fotografiar la galàxia el·líptica gegant M87, va notar la presència d’«un curiós raig rectilini aparentment connectat amb el nucli de la galàxia per una línia fina de matèria». Aquest fet va representar el descobriment dels objectes avui coneguts amb el nom de dolls extragalàctics. Avui dia hi ha censats uns quants centenars de galàxies amb dolls, la majoria dels quals s’observen a longituds d’ona de ràdio. La seua aparença és deguda a l’emissió dels electrons que els componen i que es genera mitjançant el procés de sincrotó en què els electrons són accelerats per un camp magnètic emetent ones electromagnètiques. Els dolls són els canals pels quals ingents quantitats d’energia i matèria són transportades des dels nuclis de les radiogalàxies i dels quàsars a l’espai intergalàctic, i d’aquesta manera alimenten les regions extenses de radioemissió que envolten aquestes fonts (els radiolòbuls). Mitjançant observacions en ràdio basades en tècniques interferomètriques d’alta resolució s’ha comprovat que aquests dolls estan perfectament col·limats a distàncies molt pròximes al centre de la galàxia progenitora (un any-llum o menys) i que mantenen la col·limació fins a distàncies d’uns quants centenars de milers d’anys-llum.
A més dels dolls extragalàctics, a hores d’ara es coneixen dolls col·limats en diversos sistemes binaris en la nostra galàxia, com ara SS433. El doll estel·lar procedent d’aquesta font, descobert a finals dels setanta, es propaga a una velocitat igual a una quarta part de la velocitat de la llum. Velocitats encara majors s’han inferit en dues fonts galàctiques de raigs X (GRS 1915+105, GRO J1655-40) consistents en binàries en què un dels membres és molt probablement un forat negre. El moviment transversal de les radiocomponents mesurat en aquests dos objectes supera la velocitat de la llum. Aquest fenomen, conegut usualment com moviment superlumínic, s’observa també en més d’una vintena de dolls extragalàctics. El moviment superlumínic és un moviment aparent, explicable mitjançant les lleis de la cinemàtica relativista, resultat de l’existència de material que es va propagant a velocitats altament relativistes i en direccions molt pròximes a la línia de visió. D’acord amb aquesta interpretació, el fluid arribaria a velocitats de fins el 99,9% de la velocitat de la llum en les proximitats del centre de la galàxia progenitora (els primers centenars d’anys-llum) i es deceleraria fins a velocitats del 95% a grans distàncies (centenars de milers d’anys-llum).
«Els dolls són els canals pel quals ingents quantitats d’energia i matèria són transportades des dels nuclis de les radiogalàxies i dels quàsars a l’espai intergalàctic»
L’aspecte dels dolls respon a la seua interacció amb el medi pel qual es propaguen. Els dolls són compostos per un gas totalment ionitzat en condicions de molt alta temperatura i extremadament baixa densitat (menys d’una partícula per centímetre cúbic). La presència d’un camp magnètic turbulent cohesiona el plasma rarificat que el constitueix i fa que es comporte com un fluid. Les simulacions efectuades per ordinador d’aquests dolls com a fluxos supersònics col·limats obrint-se pas per un medi ambient més dens, iniciades a començament dels vuitanta, han resultat ser molt útils en la interpretació de la morfologia i la dinàmica d’aquests objectes. A començament dels noranta, i en col·laboració amb investigadors de l’Institut Max Planck d’Astrofísica de Garching (Alemanya), començàrem a realitzar simulacions relativistes de dolls extragalàctics. Es tractava de les primeres simulacions d’aquestes característiques i solament van ser possibles després d’haver desenvolupat les tècniques numèriques i els codis capaços de resoldre les equacions de la dinàmica de fluids en règim relativista.
Els nostres primers estudis van revelar que els dolls relativistes presenten unes característiques similars a les dels no relativistes. El doll s’alimenta a través d’un feix supersònic compost d’una sèrie d’ones de xoc oblíqües que ajuden a col·limar-lo i que s’observen com a radiocomponents estacionaris en alguns casos. El doll acaba en una ona de xoc situada en l’extrem del feix, pròxima al lloc d’impacte amb el medi ambient. Després del xoc, l’energia cinètica del gas es transforma en energia interna, el que genera una taca calenta que s’observa, en els dolls més potents, a freqüències de ràdio. El gas que ha travessat l’ona de xoc s’expandeix lateralment i flueix cap arrere, al llarg del feix, i crea un embolcall turbulent (origen dels radiolòbuls) que interacciona amb el mateix feix i amb el medi ambient circumdant, i que converteix el procés d’avanç del doll en un procés complex des del punt de vista dinàmic.
Les propietats dinàmiques dels dolls no relativistes com també algunes de les seues propietats morfològiques, en particular l’extensió de l’embolcall, depenen del nombre de Mach del feix (la velocitat del fluid en el feix dividida per la velocitat local del so) i la relació de densitats entre el feix i el medi ambient. En el cas relativista cal considerar la velocitat del fluid en el feix com un nou paràmetre, a causa de l’existència d’una velocitat límit (la velocitat de la llum). En les nostres primeres simulacions consideràrem els efectes d’aquests paràmetres, i classificàrem els models en dues grans famílies d’acord amb la importància relativa de l’embolcall, la riquesa de l’estructura interna del feix i l’eficiència de la propagació del doll a través del medi ambient. L’estructura dels models d’una de les famílies recorda la morfologia dels anomenats dolls nus observats en alguns quàsars (3C273, per exemple).
«Les nostres simulacions mostren que els dolls relativistes es propaguen eficientment al llarg de grans distàncies sense desestabilitzar-se ni decol·limar-se»
En general, les nostres simulacions mostren que els dolls relativistes es propaguen eficientment al llarg de grans distàncies sense desestabilitzar-se ni decol·limar-se. L’estabilitat és un requeriment que ha de verificar qualsevol model que vulga explicar les observacions, car els dolls extragalàctics es propaguen sense perdre la col·limació al llarg de distàncies equivalents a un milió de vegades les dimensions del seu radi prop de la font, durant un temps característic entre 10 i 100 milions d’anys. Les simulacions (un exemple apareix en la Fig. 1) han permès de concloure que l’evolució dels dolls a llarg termini està dominada per una fase de deceleració en què la seua velocitat de propagació disminueix fins assolir els valors estimats en les taques calentes dels dolls extragalàctics (al voltant d’un 5% de la velocitat de la llum). Així mateix hem estudiat el procés de formació dels radiolòbuls, estadi posterior d’evolució dels embolcalls, que aporta informació sobre les propietats del material circumdant a la radiofont. Finalment, a fi d’analitzar les propietats morfodinàmiques dels dolls extragalàctics en situacions més realistes (en particular l’estabilitat enfront de pertorbacions generals), hem desenvolupat un codi numèric que permet la simulació de dolls relativistes en tres dimensions espacials els primers resultats del qual han vist la llum en els darrers mesos.
A escales d’any-llum, les observacions en ràdio mostren els dolls extragalàctics ja col·limats amb una taca brillant (el nucli) en un extrem i una sèrie de components que se separen del nucli amb velocitats aparents que, en molts casos, superen la velocitat de la llum. Aquests components, normalment precedides d’un augment important de l’emissió en ràdio, s’interpreten com ones de xoc que es desplacen a velocitats relativistes al llarg del doll. Les ones de xoc, comunes a fluxos supersònics, augmenten la intensitat del camp magnètic i l’energia dels electrons i reforcen l’emissió sincrotó, el que les fa detectables. A causa de la importància dels efectes relativistes en l’emissió d’aquestes fonts, els models han de combinar els càlculs dinàmics amb models per a l’emissió sincrotó per tal que puguen ser contrastats amb les observacions. Així, en col·laboració amb investigadors de l’Institut d’Astrofísica d’Andalusia i del Departament d’Astronomia de la Universitat de Boston, hem efectuat les primeres simulacions de fonts superlumíniques. L’interès de la nostra investigació està en el fet que les nostres simulacions permeten de descriure interaccions complexes entre els suposats components causants del moviment superlumínic i l’estructura del mateix doll que s’assemblen bastant a les observacions en diverses fonts reals, com ara 3C120 (Fig. 2).
Figura 2: A l’esquerra, observacions de la zona interna del doll de la galàxia 3C 120 a dues longituds d’ona diferents. A la dreta, una simulació numèrica com a doll relativista.
Per bé que són molt importants els resultats obtinguts fins ara en l’estudi dels dolls extragalàctics, ens queda per abordar encara l’explicació del mecanisme de formació dels dolls. Com hem comentat al començament d’aquest article, els dolls supersònics apareixen en diversos escenaris astrofísics. Als ja comentats en els casos de galàxies actives i binàries compactes, caldria afegir-hi els dolls òptics observats en escenaris de formació estel·lar. Comuna a tots aquests escenaris és la presència de matèria que llisca en espiral cap a l’objecte central fins formar un disc d’acreció. Aquest fet ha permès d’establir una connexió entre ambdós fenòmens (disc d’acreció, formació de dolls), en què el gas acretat per l’objecte central subministraria la primera matèria necessària per a la formació del doll. En els primers models, el disc d’acreció, eixamplat en la seua part més interna, forma una mena de ximeneia per la qual el gas proper a l’objecte central, accelerat per l’alta pressió existent en aquesta regió, és expulsat en direccions perpendiculars al disc. Tanmateix, la pressió (i la temperatura) necessària per accelerar el gas fins velocitats relativistes convertiria la regió central en un emissor molt potent de raigs X, un fet que no s’observa. Els models més recents apunten a mecanismes magnetohidrodinàmics en què les línies de camp magnètic ancorades al disc d’acreció representarien el doble paper de col·limar i accelerar el plasma. L’elaboració d’un codi magnetohidrodinàmic relativista que ens permeta abordar la simulació de la formació de dolls extragalàctics és el nostre repte per als anys vinents.
