Магнитные поля звезд переходят к черным дырам после их образования

Новости МирТесен

Выбросы джетов (узких струй плазмы, движущихся почти со скоростью света) из окрестностей черных дыр нередко сопровождаются самыми мощными взрывами в космосе — гамма-всплесками. Ранее ученые не имели четкого представления о механизме, благодаря которому черные дыры приобретают магнитные поля, необходимые для создания этих джетов. Новые исследования выявили, что черные дыры сохраняют магнитные поля, принадлежавшие им еще в период существования родительских нейтронных звезд.

В 1977 году астрофизики Роджер Блэндфорд и Роман Знаек представили механизм извлечения энергии (формирующей мощные джеты из плазмы аккреционного диска вокруг космического «монстра») из вращающейся черной дыры, окруженной сильным магнитным полем. Процесс Блэндфорда — Знаека, однако, создавал парадокс: перед коллапсом сильные магнитные поля в ядре звезды должны замедлять ее вращение из-за переноса углового момента, но звезда, обладающая сильным магнитным полем, вращаться быстро не может.

Исследовательская группа во главе с Оре Готтлибом предложила новое решение обозначенной проблемы ( Ore Gottlieb) из Колумбийского университета (США). В работе, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal Letters, по мнению исследователей, магнитное поле сильной величины черная дыра получает не от своей предшественницы – звезды, а на этапе формирования нейтронной звезды в ее ранней стадии (proto-neutron star (PNS)). Эта стадия возникает сразу после коллапса ядра массивной звезды и может привести к образованию черной дыры.

Используя эволюционные модели звезд MESA и релятивистские магнито-гидродинамические симуляции, исследователи создали компьютерную модель, позволившую им сделать этот вывод. Полученные данные свидетельствуют о том, что в процессе коллапса массивной звезды изначально формируется быстро вращающаяся нейтронная звезда, являющаяся источником мощных магнитных полей. Избыток углового момента приводит к образованию аккреционного диска вокруг нейтронной звезды, который удерживает магнитные поля и способствует увеличению массы звезды, необходимой для ее последующего коллапса в черную дыру.

Магнитное поле нейтронной звезды, окруженной аккреционным диском, присоединяется к горизонту событий черной дыры, что обуславливает формирование струй, схожих по своим свойствам с гамма-всплесками, которые мы наблюдаем.

«Наконец-то стало возможным понять это ключевое свойство черных дыр и выяснить, как они являются источником гамма-всплесков — самых мощных явлений во Вселенной», — заключили авторы научной работы.

В предыдущих работах изучались отдельные нейтронные звезды и изолированные черные дыры, в процессе коллапса теряющие свои магнитные поля. Однако Готтлиб и его коллеги выяснили, что нейтронные звезды на ранних стадиях развития имеют аккреционные диски. Наличие этих дисков позволило выдвинуть гипотезу о том, что черные дыры могут унаследовать мощные магнитные поля.

Выполненные расчеты продемонстрировали, что формирование аккреционного диска вокруг черной дыры, как правило, происходит быстрее, чем процесс потери магнитного поля нейтронной звездой. Полученные данные поддерживают гипотезу о возможности сохранения черными дырами магнитного поля, унаследованного от предшествующей нейтронной звезды.

Разработанная учеными модель открывает перспективные направления для дальнейших исследований, в частности, поиск признаков взаимодействия джетов с окружающей средой, создание моделей, объясняющих разнообразные типы гамма-всплесков и сопутствующих им сверхновых, и способствует углублению знаний о механизмах, лежащих в основе формирования мощных магнитных полей нейтронных звезд.