В 2021 году ученые из коллаборации Event Horizon Telescope (EHT) передали изображение окрестностей M87*, сверхмассивной черной дыры в сверхгигантской галактике Мессье 87, показав мощные магнитные поля, существующие вокруг этих сверхмассивных объектов. Теперь исследователи из Института Флэтайрон в Нью-Йорке обнаружили, что разрыв и повторное соединение линий этих магнитных полей высвобождает достаточно энергии, чтобы разогнать частицы и вызвать интенсивные вспышки.
Черная дыра чаще всего возникает в результате коллапса звезды: когда запасы водорода в звезде исчерпываются, ее ядро разрушается под действием собственной гравитации. В зависимости от массы звезды возможны три сценария: либо ядро становится белым карликом, нейтронной звездой или черной дырой.
В 1939 году физик Роберт Оппенгеймер подсчитал, что умирающая звезда с массой, более чем в три раза превышающей массу Солнца, разрушится и превратится в черную дыру, поглощая всю близлежащую материю, включая свет.
Загадочные мерцания во тьме черных дыр
Центральная точка черной дыры называется сингулярностью. Окружающая материя, прежде чем быть проглоченной, движется по орбите вокруг черной дыры, создавая диск из газа и пыли — аккреционный диск. Горизонт событий черной дыры — это нематериальная граница, на которой скорость высвобождения достигает скорости света в вакууме. Другими словами, это область, из которой не может выйти ни один объект, ни даже луч света. Поэтому черные дыры не видны напрямую: чтобы увидеть их, необходимо обнаружить интенсивные области рентгеновского излучения (излучение, испускаемое аккреционным диском).
Астрономы заметили быстрые вспышки γ-лучей (состоящих из фотонов, подобных видимому свету или рентгеновским лучам, но гораздо более энергичных) от активных ядер галактик в виде выбросов очень высокой энергии (>100 ГэВ). Извержения показывают временную шкалу подъема и падения потока энергии в 1-3 дня, затем система «перезагружается».
Астрономы заметили быстрые извержения γ-лучей (состоящих из фотонов, как видимый свет или рентгеновское излучение, но гораздо более энергичных) из активных галактических ядер в виде выбросов очень высоких энергий (> 100 ГэВ). Вспышки показывают временную шкалу роста и падения потока энергии от 1 до 3 дней, а затем система «сбрасывается».
Светящиеся вспышки в диапазоне ТэВ периодически наблюдаются от сверхмассивной черной дыры M87*. Подобно ей, черная дыра в центре нашей галактики, Стрелец A*, демонстрирует интригующие инфракрасные и рентгеновские вспышки на коротких временных шкалах вблизи горизонта событий. В 2021 году впервые наблюдалось излучение из-за черной дыры.
Но, как следует из названия, черная дыра не излучает свет, он должен исходить извне горизонта событий черной дыры. Сверхмассивные черные дыры способны формировать вокруг горизонта событий сферу из частиц очень высокой энергии — структуру, называемую короной. Как объясняет Европейское космическое агентство, «астрономы считают, что корона возникает из газа, который постоянно падает в черную дыру, где он образует вращающийся диск, подобно воде, стекающей из ванны. Диск нагревается до миллионов градусов [настолько горячий, что атомы лишаются своих электронов, образуя намагниченную плазму] и генерирует магнитные поля, которые закручиваются вращающейся черной дырой. В конечном итоге магнитное поле разрушается и высвобождает накопленную энергию. Это нагревает среду и создает корону высокоэнергетических электронов, которые генерируют рентгеновское излучение«. До сих пор компьютеры могли моделировать системы черных дыр только на слишком низком разрешении, чтобы визуализировать механизм, приводящий в действие эти вспышки.
Сверхточное моделирование для понимания черных дыр
Рипперда, соавтор исследования и совместный исследователь Центра вычислительной астрофизики (CCA) Института Флэтайрон в Нью-Йорке и Принстонского университета, и его коллеги использовали мощность и вычислительное время трех суперкомпьютеров: суперкомпьютера Summit в Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси, суперкомпьютера Longhorn в Техасском университете в Остине и Popeye в Институте Flatiron (расположенном в Калифорнийском университете в Сан-Диего). Разрешение симуляции более чем в 1 000 раз выше, чем у предыдущих!
Эти необычные моделирования дали исследователям беспрецедентную картину механизмов, приводящих к извержению. В центре процесса находится магнитное поле черной дыры. Черная дыра имеет линии магнитного поля, простирающиеся от горизонта событий; они образуют энергетическую струю и соединяются с аккреционным диском. Взаимодействие между магнитным полем и материалом диска, падающего в центр черной дыры, приводит к тому, что поле сжимается, сплющивается, распадается и вновь соединяется.
Таким образом, когда две линии магнитного поля, направленные в противоположные стороны, встречаются, они могут разорваться, снова соединиться и стать спутанными. Между точками соединения в магнитном поле образуется карман. Эти карманы заполнены горячей плазмой, которая либо падает в черную дыру, либо катапультируется почти со скоростью света в космос, немедленно испуская большое количество энергии в виде фотонов. Эти фотоны ответственны за вспышки.
Авторы считают, что наблюдения с недавно запущенного космического телескопа Джеймса Уэбба в сочетании с наблюдениями наземного телескопа Event Horizon могут подтвердить, происходит ли на самом деле процесс, наблюдаемый в новых симуляциях.