|
Черные дыры порождают мощные релятивистские струи
|
|
|
|
За сто лет до того, как в 2019 году коллаборация Event Horizon Telescope опубликовала первое изображение черной дыры, расположенной в центре галактики M87, астроном Хибер Кертис уже обнаружил странную струю, выступающую из центра галактики. Сегодня мы знаем, что это струя из черной дыры M87*. Такие струи также испускаются другими черными дырами. Астрофизики-теоретики из Университета Гете в настоящее время разработали числовой код, позволяющий с высокой математической точностью описать, как черные дыры преобразуют энергию своего вращения в такие сверхбыстрые струи. Результаты исследования опубликованы в Astrophysical Journal Letters.
|
|
|
|
В течение почти двух столетий было неясно, что яркое пятно в созвездии Девы, которое Шарль Мессье описал в 1781 году как "87: Туманность без звезд", на самом деле является очень большой галактикой. В результате первоначально не было никакого объяснения обнаруженной в 1918 году странной струе, выходящей из центра этой "туманности".
|
|
|
|
В центре гигантской галактики M87 находится черная дыра M87*, масса которой составляет ошеломляющие шесть с половиной миллиардов солнечных масс и которая быстро вращается вокруг своей оси. Используя энергию этого вращения, M87* приводит в действие струю частиц, выбрасываемую почти со скоростью света и простирающуюся на огромные 5000 световых лет. Такие струи также генерируются другими вращающимися черными дырами. Они способствуют рассеиванию энергии и вещества по всей Вселенной и могут влиять на эволюцию целых галактик.
|
|
|
|
|
|
|
Команда астрофизиков из Франкфуртского университета имени Гете во главе с проф. Лучано Реццолла (Luciano Rezzolla) разработал числовой код, названный франкфуртским кодом частиц в ячейках для пространства-времени черных дыр (FPIC), который с высокой точностью описывает процессы, преобразующие энергию вращения в струю частиц.
|
|
|
|
Результат: в дополнение к механизму Блэндфорда–Знаека, который до сих пор считался ответственным за извлечение энергии вращения из черной дыры с помощью сильных магнитных полей, ученые обнаружили, что в извлечении энергии участвует еще один процесс, а именно магнитное пересоединение. В ходе этого процесса силовые линии магнитного поля разрываются и собираются вновь, что приводит к преобразованию магнитной энергии в тепло, излучение и выбросы плазмы.
|
|
|
|
Код FPIC моделировал эволюцию огромного числа заряженных частиц и экстремальных электромагнитных полей под воздействием сильной гравитации черной дыры. Доктор Клаудио Меринголо, главный разработчик кода, объясняет: "Моделирование таких процессов имеет решающее значение для понимания сложной динамики релятивистской плазмы в искривленном пространстве-времени вблизи компактных объектов, которая определяется взаимодействием экстремальных гравитационных и магнитных полей".
|
|
|
|
Исследования потребовали проведения высокоточного моделирования на суперкомпьютерах, которые потребляли миллионы процессорных часов на суперкомпьютерах "Goethe" во Франкфурте и "Hawk" в Штутгарте. Эта большая вычислительная мощность была необходима для решения уравнений Максвелла и уравнений движения электронов и позитронов в соответствии с общей теорией относительности Альберта Эйнштейна.
|
|
|
|
Расчеты исследователей выявили интенсивную активность пересоединения в экваториальной плоскости черной дыры, что привело к образованию цепочки плазмоидов — конденсации плазмы в энергетических "пузырях", движущихся почти со скоростью света. По словам ученых, этот процесс сопровождается образованием частиц с отрицательной энергией, которые используются для приведения в действие экстремальных астрофизических явлений, таких как реактивные струи и плазменные извержения.
|
|
|
|
"Наши результаты открывают интересную возможность того, что механизм Блэндфорда–Знаека - не единственный астрофизический процесс, способный извлекать энергию вращения из черной дыры, - говорит доктор Филиппо Камиллони, который также работал над проектом FPIC, - но магнитное пересоединение также вносит свой вклад".
|
|
|
|
"Благодаря нашей работе мы можем продемонстрировать, как энергия эффективно извлекается из вращающихся черных дыр и направляется в струи", - говорит Реццолла. "Это позволяет нам объяснить экстремальную яркость активных ядер галактик, а также ускорение частиц почти до скорости света".
|
|
|
|
Он добавляет, что это невероятно увлекательно - лучше понимать, что происходит вблизи черной дыры, используя сложные числовые коды. "В то же время, еще более полезно иметь возможность объяснить результаты этих сложных симуляций с помощью строгой математической обработки, как это было сделано в нашей работе".
|
|
|
|
Источник
|
