Магнітне "облисіння" чорних дір зберігає передбачення загальної теорії відносності

Магнітні поля навколо чорних дір швидко затухають, що підтверджує так звану "гіпотезу про безволосся", передбачену загальною теорією відносності Ейнштейна.

Про це розповідають у Фонді Саймонса.

Чорні діри – це не те, що вони їдять. Загальна теорія відносності Ейнштейна передбачає, що незалежно від того, що споживає чорна діра, її зовнішні властивості залежать лише від її маси, обертання та електричного заряду. Всі інші подробиці її раціону зникають. Астрофізики химерно називають це гіпотезою про безволосся. (Чорні діри, кажуть вони, “не мають волосся”).

Однак у цієї гіпотези є потенційно небезпечна загроза. Чорні діри можуть народжуватися із сильним магнітним полем або отримати його, пережовуючи намагнічений матеріал. Таке поле повинно швидко зникнути, щоб гіпотеза про безволосся була вірною. Але справжні чорні діри не існують ізольовано. Вони можуть бути оточені плазмою – настільки наелектризованим газом, що електрони відірвалися від своїх атомів, – що може підтримувати магнітне поле, потенційно спростовуючи гіпотезу.

За допомогою суперкомп’ютерних симуляцій чорної діри, охопленої плазмою, дослідники з Центру обчислювальної астрофізики (CCA) Інституту Флатірона в Нью-Йорку, Колумбійського університету та Принстонського університету виявили, що гіпотеза про безволосся є справедливою. Про свої висновки команда повідомила 27 липня в журналі Physical Review Letters.

"Гіпотеза про безволосся є наріжним каменем загальної теорії відносності", - говорить співавтор дослідження Барт Ріпперда, науковий співробітник CCA та постдокторант з Принстону. "Якщо чорна діра має довгоживуче магнітне поле, то гіпотеза про безволосся порушується. На щастя, з фізики плазми надійшло рішення, яке врятувало гіпотезу про безволосся від зруйнування".

Симуляції, проведені командою, показали, що лінії магнітного поля навколо чорної діри швидко розриваються і знову з′єднуються, створюючи заповнені плазмою кишені, які вилітають в космос або потрапляють у пащі чорної діри. Цей процес швидко виснажує магнітне поле і може пояснити спалахи, що спостерігаються поблизу надмасивних чорних дір, повідомляють дослідники.

"Теоретики не замислювались над цим, тому що зазвичай вони поміщають свої чорні діри у вакуум", - говорить Ріпперда. "Але в реальності, там часто присутня плазма, і плазма може підтримувати та приносити магнітні поля. І це повинно відповідати вашій гіпотезі про безволосся".

Новини за подібною темою:

		У нашій галактиці знайдено наймасивнішу чорну діру зоряної маси
		Астрономи виявили крихітну чорну діру, яка неодноразово пробиває газовий диск більшої чорної діри
		Надмасивні чорні діри ненадовго прокидаються з глибокого сну завдяки подрібненим ними зорям

Ріпперда став співавтором дослідження разом з аспіранткою з Колумбії Ешлі Брансгроув та молодшим науковим співробітником CCA Сашею Філіпповим, який також є запрошеним науковим співробітником у Принстоні.

Дослідження цієї проблеми, проведене у 2011 році, показало, що гіпотеза про відсутність волосся має проблеми. Але у тому дослідженні ці системи розглядалися лише у низькій роздільній здатності, і воно розглядало плазму як рідину. Однак плазма навколо чорної діри настільки розбавлена, що частинки рідко стикаються одна з одною, тому розглядати її як рідину є надмірним спрощенням.

У новому дослідженні вчені провели симуляції у високій роздільній здатності фізики плазми із загальнорелятивістською моделлю магнітного поля чорної діри. Загалом, на всі розрахунки знадобилося 10 мільйонів процесорних годин. "Ми не могли б виконати ці симуляції без обчислювальних ресурсів Інституту Флатірона", - каже Ріпперда.

У результаті, симуляції показали, як розвивається магнітне поле навколо чорної діри. Спочатку поле поширюється дугою від північного полюса чорної діри до її південного полюса. Потім взаємодії всередині плазми змушують поле видуватися назовні. Це розширення призводить до розщеплення поля на окремі лінії магнітного поля, які випромінюються назовні від чорної діри.

Лінії поля змінюють своє направлення – то у напрямку до горизонту подій, то у сторону від нього. Лінії магнітного поля, що знаходяться поблизу, з′єднуються, створюючи сплетений візерунок з ліній поля, що сходяться і розходяться. Між двома такими точками з′єднання існує щілина, яка заповнюється плазмою. Плазма заряджається енергією від магнітного поля, викидаючись назовні в космос або всередину чорної діри. У міру того, як процес триває, магнітне поле втрачає енергію і з часом згасає.

Критично важливо, що процес відбувається швидко. Дослідники виявили, що чорна діра виснажує своє магнітне поле зі швидкістю 10 відсотків швидкості світла. "Швидке перез′єднання врятувало гіпотезу про безволосся", - говорить Ріпперда.

Дослідники припускають, що механізм, що приводить в дію спостережувані спалахи від надмасивної чорної діри в центрі галактики Мессьє 87, можна пояснити процесом облисіння, який спостерігається у цих симуляціях. Перші порівняння між ними виглядають багатообіцяльними, кажуть вчені, хоча потрібна більш надійна оцінка. Якщо вони справді збігаються, то енергетичні спалахи, викликані магнітним перез′єднанням у горизонтах подій чорних дір, можуть бути широко розповсюдженим явищем.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.

• Загальна теорія відносності Ейнштейна
• Чорні діри