Магнитное "облысение" черных дыр сохраняет предсказание общей теории относительности

Магнитные поля вокруг черных дыр быстро затухают, что подтверждает так называемую "гипотезу о безволосье", которая предусмотрена общей теорией относительности Эйнштейна.

Об этом рассказывают в Фонде Саймонса.

Черные дыры – это не то, что они едят. Общая теория относительности Эйнштейна предполагает, что независимо от того, что потребляет черная дыра, ее внешние свойства зависят только от ее массы, вращения и электрического заряда. Все остальные подробности ее рациона исчезают. Астрофизики причудливо называют это гипотезой о безволосье. (Черные дыры, говорят они, "не имеют волос").

Однако для этой гипотезы есть потенциально опасная угроза. Черные дыры могут рождаться с сильным магнитным полем или получить его, пережевывая намагниченный материал. Такое поле должно быстро исчезнуть, чтобы гипотеза о безволосье была верной. Но настоящие черные дыры не существуют изолированно. Они могут быть окружены плазмой – настолько наэлектризованным газом, что электроны оторвались от своих атомов, – что может поддерживать магнитное поле, потенциально опровергая гипотезу.

С помощью суперкомпьютерных симуляций черной дыры, охваченной плазмой, исследователи из Центра вычислительной астрофизики (CCA) Института Флатирона в Нью-Йорке, Колумбийского университета и Принстонского университета обнаружили, что гипотеза о безволосье является справедливой. О своих выводах команда сообщила 27 июля в журнале Physical Review Letters.

"Гипотеза о безволосье является краеугольным камнем общей теории относительности", - говорит соавтор исследования Барт Рипперда, научный сотрудник CCA и постдокторант из Принстона. "Если черная дыра имеет долгоживущее магнитное поле, то гипотеза о безволосье нарушается. К счастью, из физике плазмы поступило решение, которое спасло гипотезу о безволосье от разрушения".

Симуляции, проведенные командой, показали, что линии магнитного поля вокруг черной дыры быстро разрываются и снова соединяются, образуя заполненные плазмой карманы, которые вылетают в космос или попадают в пасти черной дыры. Этот процесс быстро истощает магнитное поле и может объяснить вспышки, наблюдаемые вблизи сверхмассивных черных дыр, сообщают исследователи.

"Теоретики не задумывались над этим, потому что обычно они помещают свои черные дыры в вакуум", - говорит Рипперда. "Но в реальности, там часто присутствует плазма, и плазма может поддерживать и приносить магнитные поля. И это должно соответствовать вашей гипотезе о безволосье".

Рипперда стал соавтором исследования вместе с аспиранткой из Колумбии Эшли Брансгроув и младшим научным сотрудником CCA Сашей Филипповым, который также является приглашенным научным сотрудником в Принстоне.

Исследование этой проблемы, проведенное в 2011 году, показало, что гипотеза об отсутствии волос имеет проблему. Но в том исследовании эти системы рассматривались лишь в низком разрешении, и оно рассматривало плазму как жидкость. Однако плазма вокруг черной дыры настолько разбавлена, что частицы редко сталкиваются друг с другом, поэтому рассматривать ее как жидкость является чрезмерным упрощением.

В новом исследовании ученые провели симуляции в высоком разрешении физики плазмы с общерелятивистской моделью магнитного поля черной дыры. В общем, на все расчеты понадобилось 10 миллионов процессорных часов. "Мы не могли бы выполнить эти симуляции без вычислительных ресурсов Института Флатирона", - говорит Рипперда.

В результате, симуляции показали, как развивается магнитное поле вокруг черной дыры. Сначала поле распространяется дугой от северного полюса черной дыры к ее южному полюсу. Затем взаимодействия внутри плазмы заставляют поле выдуваться наружу. Это расширение приводит к расщеплению поля на отдельные линии магнитного поля, излучаемые наружу от черной дыры.

Линии поля меняют свое направление – то по направлению к горизонту событий, то в сторону от него. Линии магнитного поля, находящиеся вблизи, соединяются, образуя сплетенный узор из сходящихся и расходящихся линий поля. Между двумя такими точками соединения существует щель, которая заполняется плазмой. Плазма заряжается энергией от магнитного поля, выбрасываясь наружу в космос или внутрь черной дыры. По мере того, как процесс продолжается, магнитное поле теряет энергию и со временем угасает.

Критически важно, чтобы процесс протекал быстро. Исследователи обнаружили, что черная дыра истощает свое магнитное поле со скоростью 10 процентов скорости света. "Быстрое пересоединение спасло гипотезу о безволосье", - говорит Рипперда.

Исследователи предполагают, что механизм, приводящий в действие наблюдаемые вспышки от сверхмассивной черной дыры в центре галактики Mессье 87, можно объяснить процессом облысения, который наблюдается в этих симуляциях. Первые сравнения между ними выглядит многообещающими, говорят ученые, хотя требуется более надежная оценка. Если они действительно совпадают, то энергетические вспышки, вызванные магнитным пересоединением в горизонтах событий черных дыр, могут быть широко распространенным явлением.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.