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".

Новости по подобной теме:

		Астрономы обнаружили крошечную черную дыру, неоднократно пробивающую газовый диск более крупной черной дыры
		Сверхмассивные черные дыры ненадолго просыпаются из глубокого сна благодаря измельченным ими звездам
		JWST разглядел большое количество новорожденных квазаров в ранней Вселенной

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.

• Общая теория относительности Эйнштейна
• Черные дыры