В 2021 году группа ученых из коллаборации Event Horizon Telescope (EHT) представили изображение окрестностей M87*, сверхмассивной черной дыры в сверхгигантской галактике Мессье 87, демонстрируя мощные магнитные поля, окружающие эти объекты. Сейчас исследователи из Института Флэтайрон в Нью-Йорке обнаружили, что разрыв и повторное соединение линий этих магнитных полей высвобождают столько энергии, чтобы разогнать частицы и вызвать интенсивные вспышки.
Черная дыра часто образуется при коллапсе звезды: когда запасы водорода в звезде угасают, ее ядро разрушается под воздействием собственной тяжести. В зависимости от массы звезды возможны три исхода: ядро превращается в белый карлик, нейтронную звезду или черную дыру.
В 1939 году физик Роберт Оппенгеймер рассчитал, что звезда с массой больше, чем у Солнца в три раза, погибнет, превратившись в черную дыру, которая поглотит всё находящееся рядом, включая свет.
Загадочные мерцания во тьме черных дыр
Сингулярность – центральная точка черной дыры. Материя, прежде чем быть поглощенной, движется по орбите вокруг черной дыры, формируя диск из газа и пыли – аккреционный диск. Горизонт событий – нематериальная граница, на которой скорость высвобождения достигает скорости света в вакууме. Это область, откуда не может выйти ни объект, ни даже луч света. Поэтому черные дыры невидимы прямо, чтобы обнаружить их, необходимо найти интенсивные области рентгеновского излучения, испускаемого аккреционным диском.
Астрономы зарегистрировали быстрые вспышки гамма-лучей от активных ядер галактик с очень высокой энергией (более 100 ГэВ). Всплески проявляются в виде выбросов энергии с временным интервалом подъема и падения, составляющим 1-3 дня, после чего система восстанавливается.
Астрономы обнаружили быстрые извержения гамма-излучения (фотонов высокой энергии) из активных ядер галактик. Взрывы имеют энергию более 100 ГэВ и длятся от одного до трёх дней, после чего система «сбрасывается».
Периодически от сверхмассивной черной дыры M87* фиксируются светящиеся вспышки в диапазоне ТэВ. Подобные вспышки, но в инфракрасном и рентгеновском спектрах на коротких временных интервалах, наблюдаются вблизи горизонта событий у черной дыры в центре нашей галактики, Стрелец A*. В 2021 году впервые зарегистрировано излучение от самой черной дыры.
Из названия следует, что черная дыра не излучает свет; свет должен исходить за пределами горизонта событий черной дыры. Сверхмассивные черные дыры способны формировать вокруг горизонта событий сферу частиц высокой энергии — структуру, называемую короной. Европейское космическое агентство объясняет… Астрономы полагают, что корона образуется из газа, постоянно падающего в черную дыру и формирующего вращающийся диск, подобный воде, текущей из ванны. Диск нагревается до миллионов градусов, атомы лишаются электронов, образовывая намагниченную плазму. Магнитное поле генерируется и закручивается вместе с вращающейся черной дырой. В итоге магнитное поле разрушается и высвобождает накопленную энергию, нагревая среду и создавая корону высокоэнергетических электронов, излучающих рентгеновские лучи. До сих пор возможности компьютеров позволяли моделировать системы черных дыр лишь с недостаточной детальностью для визуализации процесса, запускающего 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, совместно с коллегами применили мощности трех суперкомпьютеров: Summit в Национальной лаборатории Ок-Ридж, Longhorn в Техасском университете в Остине и Popeye в Институте Flatiron (расположенном в Калифорнийском университете в Сан-Диего). Разрешение симуляции превышает предыдущее более чем в 1000 раз!
Необычные моделирования предоставили исследователям без пре precedentных данных о механизмах извержений. В сердце процесса находится магнитное поле черной дыры. Магнитное поле черной дыры простирается от горизонта событий, образуя энергетическую струю и соединяясь с аккреционным диском. Взаимодействие поля с падающим в центр черной дыры материалом диска приводит к сжатию, сплющиванию, распаду и воссоединению поля.
Когда две линии магнитного поля, идущие в разные стороны, встречаются, могут разделяться, вновь соединиться и стать переплетенными. Между точками соединения в магнитном поле образуются карманы. Карманы заполняются горячей плазмой, которая либо падает в черную дыру, либо выбрасывается почти со скоростью света в космос, немедленно выделяя большое количество энергии в виде фотонов. Ответственны за вспышки именно эти фотоны.
Авторы Мнения сходятся: данные, полученные новым космическим телескопом Джеймса Уэбба, вместе с данными наземной обсерватории Event Horizon, могут подкрепить факт процесса, демонстрируемого новыми компьютерными моделями.