Согласно новому исследованию, черные дыры питаются быстрее, чем предполагалось

Новое исследование меняет представление астрофизиков о привычках питания сверхмассивных черных дыр и может объяснить, почему квазары так быстро вспыхивают и гаснут.

Об этом рассказывают в Северо-Западном университете, передают OstanniPodii.com.

Результаты работы опубликованы в The Astrophysical Journal.

Согласно новым трехмерным симуляциям с высоким разрешением, вращающиеся черные дыры искривляют окружающее пространство-время, в конечном итоге разрывая бурный газовый вихрь (или аккреционный диск), который окружает и питает их. В результате диск разрывается на внутренний и внешний поддиски. Сначала черные дыры пожирают внутреннее кольцо. Затем обломки внешнего поддиска высыпаются внутрь, заполняя пробел, оставшийся после полностью поглощенного внутреннего кольца, и процесс поглощения повторяется.

Один цикл бесконечно повторяющегося процесса "съесть-пополнить-съесть" занимает всего несколько месяцев — поразительно быстрый временной интервал по сравнению с сотнями лет, которые предполагались исследователями ранее.

Это открытие может помочь в объяснении драматического поведения некоторых самых ярких объектов ночного неба, в частности квазаров, которые внезапно вспыхивают, а затем по непонятным причинам исчезают.

"Классическая теория аккреционного диска предполагает, что диск эволюционирует медленно. Но некоторые квазары, возникающие в результате поглощения черными дырами газа из своих аккреционных дисков, как оказалось, резко меняются во времени в масштабах от нескольких месяцев до нескольких лет. Эти изменения настолько резкие. Похоже, что внутренняя часть диска, откуда исходит большая часть света, то разрушается, то восстанавливается. Классическая теория аккреционного диска не может объяснить столь резкие изменения. Но явления, которые мы наблюдаем в наших симуляциях, потенциально могут объяснить это. Быстрое усиление и ослабление яркости соответствует разрушению внутренних областей диска", - говорит Ник Кааз, руководитель этой работы, который является аспирантом астрономического факультета Вайнбергского колледжа искусств и наук Северо-Западного университета, членом Центра междисциплинарных исследований в области астрофизики (CIERA).

Ошибочные предположения

Аккреционные диски, окружающие черные дыры, являются физически сложными объектами, что делает их невероятно трудными для моделирования. Традиционная теория с трудом объясняет, почему эти диски светятся так ярко, а затем резко тускнеют — иногда до полного исчезновения.

Предыдущие исследователи ошибочно предполагали, что аккреционные диски относительно упорядочены. В тех моделях газ и частицы закручиваются вокруг черной дыры в той же плоскости, что и черная дыра, и в направлении вращения черной дыры. Затем в течение времени, составляющего от сотен до сотен тысяч лет, частицы газа по спирали постепенно втягиваются в черную дыру и питают ее.

"В течение десятилетий люди делали очень серьезное предположение, что аккреционные диски выровнены с вращением черной дыры", - говорит Кааз. "Но газ, питающий эти черные дыры, не обязательно знает, в какую сторону вращается черная дыра, так почему же они должны автоматически выравниваться? Изменение выравнивания радикально меняет картину".

Проведенные исследователями симуляции, которые на сегодня являются одними из симуляций аккреционных дисков с самым высоким разрешением, показывают, что участки, окружающие черную дыру, являются гораздо более беспорядочными и турбулентными местами, чем считалось ранее.

Больше похож на гироскоп и меньше на плоскую пластину

Используя один из крупнейших в мире суперкомпьютеров Summit, расположенный в Ок-Риджской национальной лаборатории, исследователи провели трехмерные симуляции тонкого наклонного аккреционного диска в рамках общерелятивистской магнитогидродинамики (GRMHD). В то время как предыдущие симуляции не были достаточно мощными, чтобы включить всю физику, необходимую для создания реалистичной черной дыры, модель, разработанная под руководством Северо-Западного университета, включает газодинамику, магнитные поля и общую теорию относительности для создания более полной картины.

"Черные дыры — это экстремальные общерелятивистские объекты, которые влияют на пространство-время вокруг себя", - говорит Кааз. "Поэтому, когда они вращаются, они тянут пространство вокруг себя, как гигантская карусель, и заставляют его вращаться также — это явление называется "перетягиванием фреймов". Это создает действительно сильный эффект вблизи черной дыры, который становится все слабее дальше от нее".

Перетягивание фреймов (эффект Лензе-Тирринга) заставляет весь диск колебаться по кругу, подобно тому, как прецессирует гироскоп. Однако внутренняя часть диска стремится колебаться гораздо быстрее, чем внешняя. Такое расхождение сил приводит к искривлению всего диска, что приводит к столкновению газа из разных частей диска. Вследствие столкновений возникают яркие ударные волны, которые с силой подталкивают вещество все ближе и ближе к черной дыре.

По мере усиления искривления, внутренняя область аккреционного диска продолжает колебаться все быстрее и быстрее, пока не отрывается от остальной части диска. Затем, согласно новым симуляциям, поддиски начинают развиваться независимо друг от друга. Вместо того чтобы плавно двигаться вместе, как плоская пластина, окружающая черную дыру, поддиски независимо друг от друга колеблются с разными скоростями и под разными углами, как колесики в гироскопе.

"Когда внутренний диск отрывается, он прецессирует независимо", - говорит Кааз. "Он прецессирует быстрее, потому что находится ближе к черной дыре и потому, что он маленький, поэтому его легче перемещать".

"Где черная дыра выигрывает"

Согласно новым симуляциям, в области разрыва — там, где внутренние и внешние поддиски разъединяются, - и начинается настоящее безумие. В то время как трение пытается удержать диск вместе, закручивание пространства-времени вращающейся черной дырой стремится разорвать его на части.

"Существует конкуренция между вращением черной дыры и трением и давлением внутри диска", - говорит Кааз. "В области разрыва черная дыра побеждает. Внутренний и внешний диски сталкиваются друг с другом. Внешний диск сжигает слои внутреннего диска, вдавливая его внутрь".

Теперь поддиски пересекаются под разными углами. Внешний диск наваливается на внутренний диск. Эта дополнительная масса также толкает внутренний диск к черной дыре, где он поглощается. Затем собственная гравитация черной дыры вытягивает газ из внешней области в пустую внутреннюю область, чтобы заполнить ее.

Связь с квазарами

По мнению Кааза, эти быстрые циклы "съесть-пополнить-съесть" могут объяснить так называемый "изменчивый вид" квазаров. Квазары - это объекты, которые чрезвычайно сильно светятся и излучают в 1000 раз больше энергии, чем все 200-400 миллиардов звезд Млечного Пути. Квазары с изменчивым видом — еще более экстремальный объект. Кажется, что они включаются и выключаются в течение нескольких месяцев — ничтожный срок для типичного квазара.

Хотя в классической теории существуют предположения относительно скорости эволюции и изменения яркости аккреционных дисков, наблюдения квазаров с переменным видом показывают, что на самом деле они эволюционируют гораздо быстрее.

"Внутренняя область аккреционного диска, откуда происходит большая часть яркости, может полностью исчезнуть — очень быстро, в течение нескольких месяцев", - говорит Кааз. "Мы видим, что она практически полностью исчезает. Система перестает быть яркой. Затем она снова становится яркой, и процесс повторяется. Обычная теория не может объяснить, почему она вообще исчезает, и не может объяснить, как она так быстро заполняется".

Новые симуляции не только потенциально объясняют квазары, но и могут ответить на вопрос о загадочной природе черных дыр.

"Как газ попадает в черную дыру и питает ее — это главный вопрос физики аккреционных дисков", - говорит Кааз. "Если вы знаете, как это происходит, это даст вам возможность определить, как долго существует диск, насколько он яркий и как должен выглядеть свет, когда мы наблюдаем его с помощью телескопов".