Астрофизики выяснили, как черные дыры создают мощные релятивистские джеты

С помощью сложных суперкомпьютерных моделирований астрофизики-теоретики установили наличие дополнительного механизма, ответственного за извлечение энергии вращения из черных дыр.

Об этом рассказывают во Франкфуртском университете имени Гете, передают OstanniPodii.com.

В течение более двух веков было неизвестно, что яркое пятно в созвездии Девы, которое Шарль Мессье описал как «87: туманность без звезд», на самом деле было сверхгигантской эллиптической галактикой с несколькими триллионами звезд.

В 1918 году, еще за сто лет до того, как коллаборация «Телескоп горизонта событий» опубликовала первое "изображение" черной дыры, расположенной в центре галактики M87, астроном Гебер Кертис уже открыл странный джет, исходящий из центра этой «туманности».

Сегодня мы знаем, что это джет черной дыры M87*, которая имеет массу в ошеломляющие шесть с половиной миллиардов Солнц.

M87* быстро вращается вокруг своей оси и, используя энергию этого вращения, подпитывает джет частиц, который выталкивается почти со скоростью света и простирается на огромное расстояние в 5000 световых лет.

Подобные джеты излучают другие черные дыры. Эти струи частиц способствуют распространению энергии и вещества по всей Вселенной и могут влиять на эволюцию целых галактик.

Команда астрофизиков из Франкфуртского университета имени Гете под руководством профессора Лучано Реццолли разработала численный код, названный Франкфуртским кодом «частица в клетке» для пространства-времени черных дыр (FPIC), который с высокой точностью описывает процессы, преобразующие энергию вращения в струю частиц.

Результат: в дополнение к механизму Бландфорда-Знаека, который до сих пор считался ответственным за извлечение энергии вращения из черной дыры с помощью сильных магнитных полей, ученые обнаружили, что в процессе извлечения энергии участвует еще один процесс, а именно магнитное пересоединение. В этом процессе магнитные силовые линии разрываются и снова соединяются, что приводит к преобразованию магнитной энергии в тепло, излучение и извержение плазмы.

Код FPIC смоделировал эволюцию огромного количества заряженных частиц и экстремальных электромагнитных полей под воздействием сильной гравитации черной дыры.

Д-р Клаудио Меринголо, главный разработчик кода, объясняет: «Моделирование таких процессов имеет решающее значение для понимания сложной динамики релятивистских плазм в искривленном пространстве-времени вблизи компактных объектов, которые регулируются взаимодействием экстремальных гравитационных и магнитных полей».

Исследования требовали чрезвычайно сложных суперкомпьютерных симуляций, которые потребовали миллионы часов работы процессоров на суперкомпьютерах «Goethe» во Франкфурте и «Hawk» в Штутгарте. Такая большая вычислительная мощность была необходима для решения уравнений Максвелла и уравнений движения электронов и позитронов в соответствии с общей теорией относительности Альберта Эйнштейна.

В экваториальной плоскости черной дыры расчеты ученых выявили интенсивную активность пересоединения, что привело к образованию цепочки плазмоидов — конденсации плазмы в энергетических «пузырьках», движущихся почти со скоростью света. По мнению ученых, этот процесс сопровождается образованием частиц с отрицательной энергией, которая используется для подпитки экстремальных астрофизических явлений, таких как джеты и плазменные извержения.

«Наши результаты открывают удивительную возможность, что механизм Бландфорда-Знаека не является единственным астрофизическим процессом, способным извлекать энергию вращения из черной дыры, — говорит доктор Филиппо Камиллони, который также работал над проектом FPIC, — но что магнитное пересоединение также способствует этому».

«Благодаря нашей работе мы можем продемонстрировать, как энергия эффективно извлекается из вращающихся черных дыр и направляется в джеты», — говорит Реццолла. «Это позволяет нам объяснить чрезвычайную яркость активных ядер галактик, а также ускорение частиц почти до скорости света». Он добавляет, что чрезвычайно интересно и увлекательно понять лучше, что происходит вблизи черной дыры, используя сложные численные коды. «В то же время еще более полезно иметь возможность объяснить результаты этих сложных моделирований с помощью строгого математического подхода — как мы это сделали в нашей работе».

Результаты были опубликованы в статье «Извлечение электромагнитной энергии из черных дыр Керра: расчеты ab initio» в журнале The Astrophysical Journal Letters.