|
Моделирование магнитных потоков вокруг черных дыр
|
|
|
|
Черные дыры были интересными объектами изучения не только потому, что они являются космическими пылесосами, но и как двигатели огромной мощности, способные извлекать и перераспределять энергию в ошеломляющих масштабах. Эти темные гиганты часто окружены вращающимися дисками из газа и пыли, известными как аккреционные диски.
|
|
|
|
Когда эти диски сильно намагничены, они могут действовать как галактические электростанции, извлекая энергию из вращения черной дыры в процессе, известном как эффект Блэндфорда-Знаека (BZ).
|
|
|
|
Хотя ученые предположили, что BZ—эффект является основным механизмом в процессе извлечения энергии, остается много неизвестного, например, что определяет, сколько энергии направляется в мощные струи — мощные потоки частиц и энергии, выбрасываемые вдоль полюсов черной дыры, - или рассеивается в виде тепла.
|
|
|
|
Чтобы ответить на эти вопросы, научный сотрудник JILA Прасун Дханг, а также стипендиаты JILA и профессора астрофизики и планетологии Университета Колорадо в Боулдере Митч Бегельман и Джейсон Декстер обратились к передовому компьютерному моделированию. Моделируя черные дыры, окруженные тонкими, сильно намагниченными аккреционными дисками, они стремились раскрыть физику, лежащую в основе этих загадочных систем.
|
|
|
|
|
|
|
Их результаты, опубликованные в журнале Astrophysical Journal, дают важнейшее представление о сложной физике черных дыр и могут по-новому взглянуть на то, как мы понимаем их роль в формировании галактик.
|
|
|
|
"Давно известно, что падающий газ может извлекать энергию вращения из черной дыры", - поясняет Декстер.
|
|
|
|
"Обычно мы предполагаем, что это важно для создания реактивных двигателей. Проведя более точные измерения, Прасун показал, что извлекается намного больше энергии, чем было известно ранее. Эта энергия может излучаться в виде света или вызывать истечение газа наружу. В любом случае, выделяемая энергия вращения может быть важным источником энергии для освещения областей вблизи горизонта событий черной дыры".
|
|
Сравнение черной дыры с черной дырой
|
|
|
|
На протяжении десятилетий ученые изучали черные дыры и их взаимодействие с окружающим газом и магнитными полями, чтобы понять, как они управляют некоторыми из самых энергичных явлений во Вселенной.
|
|
|
|
Ранние исследования были сосредоточены в основном на источниках черных дыр с низкой светимостью и квазисферическим аккреционным потоком, поскольку эти системы сравнительно легче моделировать и сопоставлять со многими наблюдаемыми джетами.
|
|
|
|
Однако черные дыры с высокой светимостью и геометрически более тонкими и плотными намагниченными дисками представляют собой уникальную проблему. Эти системы теоретически нестабильны из-за дисбаланса в системах отопления и охлаждения.
|
|
|
|
Однако предыдущие исследования, в том числе проведенные Митчем Бегельманом, предполагали, что сильные магнитные поля могут стабилизировать эти тонкие диски, но детали их роли в извлечении энергии и формировании струй в таких условиях оставались неясными.
|
|
|
|
"Мы хотели понять, как происходит извлечение энергии в этих сильно намагниченных средах", - объясняет Данг.
|
|
Моделирование намагниченных потоков вокруг черных дыр
|
|
|
|
Для изучения этого явления команда использовала передовые методы компьютерного моделирования, в частности, особый тип модели, называемый трехмерной общей релятивистской магнитогидродинамической моделью (GRMHD).
|
|
|
|
Модель GRMHD работает как вычислительная платформа, которая моделирует поведение намагниченной плазмы в искривленном пространстве-времени вокруг черных дыр, сочетая физику магнитных полей, гидродинамику и общую теорию относительности Эйнштейна, чтобы охватить сложные взаимодействия в этих экстремальных условиях. Используя эту систему, исследователи наблюдали, как магнитные поля взаимодействуют с черными дырами, вращающимися с разной скоростью.
|
|
|
|
"Цель состояла в том, чтобы увидеть, как магнитный поток, пронизывающий черную дыру, влияет на извлечение энергии и приводит ли это к образованию струй", - говорит Данг.
|
|
|
|
В ходе моделирования были смоделированы тонкие намагниченные аккреционные диски и исследовано, сколько энергии черная дыра передает своему окружению. Изучая эффективность такого извлечения энергии, команда определила различные вращения черных дыр и магнитные конфигурации струй.
|
|
|
|
Проявление энергии BZ
|
|
|
|
Проведя моделирование, команда обнаружила, что в зависимости от скорости вращения черной дыры, от 10% до 70% энергии, выделяемой в процессе BZ, направляется в струи.
|
|
|
|
"Чем выше скорость вращения, тем больше энергии может высвободить черная дыра", - отмечает Данг.
|
|
|
|
Однако не вся энергия уходила в струи; часть ее поглощалась обратно диском или рассеивалась в виде тепла.
|
|
|
|
Хотя моделирование не позволило определить, куда уходит избыточная энергия, Данг планирует продолжить изучение этого вопроса, чтобы лучше понять, как образуются струи, поскольку струи часто встречаются в активных системах ядер галактик, таких как квазары.
|
|
|
|
На основе своих моделей исследователи обнаружили, что сильные магнитные поля увеличивают эффективность излучения диска, делая его ярче. Эта дополнительная яркость может объяснить, почему некоторые черные дыры кажутся гораздо более яркими, чем предсказывают теоретические модели.
|
|
|
|
"Неиспользованная энергия вблизи черной дыры может нагреть диск и способствовать образованию короны", - отмечает Данг.
|
|
|
|
Корона, область горячего газа, окружающая черную дыру и испускающая интенсивные рентгеновские лучи, имеет решающее значение для формирования света, который мы наблюдаем в этих системах, но точный процесс ее образования остается неясным.
|
|
|
|
Исследователи надеются использовать дальнейшее моделирование, чтобы понять динамику образования короны черной дыры.
|
|
|
|
Источник
|
