Компьютерное моделирование объясняет наблюдаемую струю из гигантской галактики M87

Физики-теоретики с помощью суперкомпьютерных симуляций, результаты которых хорошо совпадают с наблюдениями, объяснили, почему струя из знаменитой черной дыры выстреливает на тысячи световых лет.

Об этом рассказывают в Институте теоретической физики при Университете Гете во Франкфурте.

Галактика Мессье 87 (M87) расположена на расстоянии 55 миллионов световых лет от Земли в созвездии Девы. Это гигантская галактика из 12 000 шаровых скоплений, по сравнению с которой Млечный Путь со своими 200 шаровыми скоплениями выглядит более чем скромно. В центре М87 находится чёрная дыра массой в 6,5 миллиарда солнечных масс. Она первая черная дыра, изображение которой существует, полученное в 2019 году международной исследовательской коллаборацией Телескоп горизонта событий.

Эта черная дыра (M87*) выстреливает струю плазмы со скоростью, близкой к скорости света, так называемую релятивистскую струю, на расстояние 6000 световых лет. Огромная энергия, необходимая для подпитки этой струи, вероятно происходит от гравитационного притяжения черной дыры, но как возникает такая струя и что поддерживает ее стабильность на огромном расстоянии, еще не до конца понятно.

Черная дыра M87* притягивает вращающуюся на диске материю на все меньших орбитах, пока ее не поглотит. Струя запускается с центра аккреционного диска, окружающего M87, и физики-теоретики из Университета Гете вместе с учеными из Европы, США и Китая теперь достаточно подробно смоделировали этот регион.

Они использовали чрезвычайно сложные трехмерные суперкомпьютерные симуляции, использующие потрясающие миллионы процессорных часов на симуляцию, и должны были одновременно решать уравнение общей теории относительности Альберта Эйнштейна, уравнение электромагнетизма Джеймса Максвелла и уравнение гидродинамики Леонарда Эйлера.

В результате была получена модель, в которой значения, рассчитанные для температуры, плотности вещества и магнитных полей, очень хорошо соответствуют тому, что было выведено из астрономических наблюдений. На этой основе ученые смогли отследить сложное движение фотонов в искаженном пространстве-времени внутренней области струи и перевести его в радиоизображение. Затем они смогли сравнить эти изображения, смоделированные компьютером, с наблюдениями, сделанными с помощью многочисленных радиотелескопов и спутников за последние три десятилетия.

Доктор Алехандро Крус-Осорио, ведущий автор исследования, комментирует: «Наша теоретическая модель электромагнитного излучения и морфологии струи M87 удивительно хорошо совпадает с наблюдениями в радио, оптическом и инфракрасном спектрах. Это говорит нам, что сверхмассивная чёрная дыра M87, вероятно, очень быстро вращается и что плазма сильно намагничена в струе, ускоряя частицы до масштабов тысяч световых лет».

Профессор Лучано Реццолла, Институт теоретической физики при Университете Гете, отмечает: «Тот факт, что рассчитанные нами изображения столь близки к астрономическим наблюдениям, является еще одним важным подтверждением того, что общая теория относительности Эйнштейна является наиболее точным и естественным объяснением существования супермассивных черных дыр в центрах галактик. Хотя еще есть место для альтернативных объяснений, результаты нашего исследования сделали это место гораздо меньшим».

Выводы были опубликованы в журнале Nature Astronomy.

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