Астрофізики з′ясували, як чорні діри створюють потужні релятивістські джети

За допомогою складних суперкомп′ютерних моделювань астрофізики-теоретики встановили наявність додаткового механізму, відповідального за вилучення енергії обертання з чорних дір.

Про це розповідають у Франкфуртському університету імені Гете, передають OstanniPodii.com.

Протягом понад двох століть було невідомо, що яскрава пляма в сузір′ї Діви, яку Шарль Мессьє описав як «87: туманність без зірок», насправді була надгігантською еліптичною галактикою з кількома трильйонами зірок.

У 1918-му, ще за сто років до того як колаборація "Телескоп горизонту подій" опублікувала перше "зображення" чорної діри, розташованої в центрі галактики M87, астроном Гебер Кертіс вже відкрив дивний джет, що виходив із центру цієї «туманності».

Сьогодні ми знаємо, що це джет чорної діри M87*, яка має масу у приголомшливі шість з половиною мільярдів Сонць.

M87* швидко обертається навколо своєї осі та, використовуючи енергію цього обертання, підживлює джет частинок, що виштовхується майже зі швидкістю світла й простягається на величезну відстань у 5000 світлових років.

Подібні джети випромінюють інші чорні діри. Ці струмені частинок сприяють розповсюдженню енергії та речовини по всьому Всесвіту та можуть впливати на еволюцію цілих галактик.

Команда астрофізиків з Франкфуртського університету імені Гете під керівництвом професора Лучано Реццолли розробила чисельний код, названий Франкфуртським кодом «частинка в клітині» для простору-часу чорних дір (FPIC), який з високою точністю описує процеси, що перетворюють енергію обертання в струмінь частинок.

Результат: на додаток до механізму Бландфорда-Знаєка, який досі вважався відповідальним за вилучення енергії обертання з чорної діри за допомогою сильних магнітних полів, вчені виявили, що в процесі вилучення енергії бере участь ще один процес, а саме магнітне перез′єднання. У цьому процесі магнітні силові лінії розриваються та знову з′єднуються, що призводить до перетворення магнітної енергії в тепло, випромінювання та виверження плазми.

Код FPIC промоделював еволюцію величезної кількості заряджених частинок та екстремальних електромагнітних полів під впливом сильної гравітації чорної діри.

Д-р Клаудіо Мерінголо, головний розробник коду, пояснює: «Моделювання таких процесів має вирішальне значення для розуміння складної динаміки релятивістських плазм у викривленому просторі-часі поблизу компактних об′єктів, які регулюються взаємодією екстремальних гравітаційних і магнітних полів».

Дослідження вимагали надзвичайно складних суперкомп′ютерних симуляцій, які спожили мільйони годин роботи процесорів на суперкомп′ютерах «Goethe» у Франкфурті та «Hawk» у Штутгарті. Така велика обчислювальна потужність була необхідною для розв′язання рівнянь Максвелла та рівнянь руху електронів і позитронів відповідно до загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна.

У екваторіальній площині чорної діри розрахунки вчених виявили інтенсивну активність перез′єднання, що призвело до утворення ланцюжка плазмоїдів — конденсації плазми в енергетичних «бульбашках», що рухаються майже зі швидкістю світла. На думку вчених, цей процес супроводжується утворенням частинок з негативною енергією, яка використовується для живлення екстремальних астрофізичних явищ, таких як джети та плазмові виверження.

«Наші результати відкривають дивовижну можливість, що механізм Бландфорда-Знаєка не є єдиним астрофізичним процесом, здатним витягувати енергію обертання з чорної діри, — каже доктор Філіппо Каміллоні, який також працював над проєктом FPIC, — але що магнітне перез′єднання також сприяє цьому».

«Завдяки нашій роботі ми можемо продемонструвати, як енергія ефективно витягується з обертових чорних дір і направляється в джети», — каже Реццолла. «Це дозволяє нам пояснити надзвичайну яскравість активних ядер галактик, а також прискорення частинок майже до швидкості світла». Він додає, що надзвичайно цікаво й захопливо зрозуміти краще, що відбувається поблизу чорної діри, використовуючи складні чисельні коди. «Водночас ще більш корисно мати можливість пояснити результати цих складних моделювань за допомогою суворого математичного підходу — як ми це зробили в нашій роботі».

Результати були опубліковані в статті "Вилучення електромагнітної енергії з чорних дір Керра: розрахунки ab initio" в журналі The Astrophysical Journal Letters.