Моделирование показывает, что черные дыры наследуют магнитные поля от родительских звезд

/ НаукаНовости / Наука

3D-рендеринг быстро вращающегося аккреционного диска черной дыры и образующейся в результате этого струи, питаемой энергией черной дыры. Автор: Руд Готлиб и др. (2024)

Черные дыры - одни из самых загадочных звездных объектов. Хотя они больше всего известны тем, что превращают свое окружение в гравитационную яму, из которой ничто не может вырваться, они также могут выбрасывать мощные струи заряженных частиц, приводящие к взрывным вспышкам гамма-лучей, которые за считанные секунды могут высвободить больше энергии, чем наше солнце испустит за всю свою жизнь.

Чтобы произошло такое впечатляющее событие, черная дыра

Thumbnail: Чёрная дыраЧёрная дыра́ — область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света. Граница этой области называется горизонтом событий. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он представляет собой сферу с радиусом Шварцшильда, который считается характерным размером чёрной дыры. Теоретическая возможность существования данных областей пространства-времени следует из некоторых точных решений уравнений Эйнштейна, первое из которых было получено Карлом Шварцшильдом в 1915 году. Википедия

должна обладать мощным магнитным полем. Однако, откуда берется этот магнетизм, долгое время оставалось загадкой.

Используя расчеты формирования черных дыр, ученые из Института Флэтайрона (Flatiron Institute) и их коллеги, наконец, выяснили источник этих магнитных полей: коллапсирующие родительские звезды самих черных дыр. Исследователи сообщают о своих результатах 18 ноября в Astrophysical Journal Letters.

Черные дыры могут образовываться после того, как звезда взрывается как сверхновая, оставляя после себя плотное остаточное ядро, называемое протонейтронной звездой.

"Протонейтронные звезды являются матерями черных дыр в том смысле, что при их коллапсе рождается черная дыра. Мы видим, что по мере формирования этой черной дыры окружающий диск протонейтронной звезды, по сути, будет привязывать свои магнитные линии к черной дыре", - говорит Руд Готлиб, первый автор исследования и научный сотрудник Центра вычислительной астрофизики Института Флэтайрона (CCA) в Нью-Йорке Город.

"Очень интересно наконец—то понять это фундаментальное свойство черных дыр и то, как они питают гамма-всплески - самые яркие взрывы во Вселенной".

Готлиб был соавтором исследования с коллегами-исследователями CCA Брайаном Мецгером, Джаредом Голдбергом, Маттео Кантьелло и Матье Ренцо.

Загадка магнетизма

Изначально команда стремилась смоделировать путь звезды от рождения до коллапса и образования черной дыры. С помощью своего моделирования команда планировала изучить потоки воздуха из черной дыры, подобные струям, которые генерируют гамма-всплески. Однако команда Готлиба столкнулась с проблемой, связанной с моделями.

"Мы не были уверены, как смоделировать поведение этих магнитных полей во время коллапса нейтронной звезды в черную дыру", - говорит Готлиб. "Итак, это был вопрос, над которым я впервые задумался".

Существовало несколько теорий, связанных с черными дырами и их магнетизмом, но ни одна из них, казалось, не сходилась при объяснении мощности струй черной дыры и гамма-всплесков.

"Считалось, что магнитные поля коллапсирующих звезд сжимаются в черную дыру", - говорит Готлиб. "Во время коллапса эти силовые линии магнитного поля становятся сильнее по мере их сжатия, поэтому плотность магнитных полей становится выше".

Проблема с этим объяснением заключалась в том, что сильный магнетизм в звезде приводит к тому, что звезда теряет свое вращение. А без быстрого вращения новорожденная черная дыра не может сформировать аккреционный диск

Аккрецио́нный диск (от лат. accrētiō «приращение, увеличение») — структура, возникающая в результате падения диффузного материала, обладающего вращательным моментом, на массивное центральное тело (аккреция). Аккреционные диски возникают вокруг звёзд в тесных двойных системах, во вращающихся галактиках и в протопланетных образованиях. Они также играют ключевую роль в механизме гамма-всплесков, сопровождающих слияние нейтронных звёзд и коллапс ядер сверхновых и гиперновых звёзд. Википедия

— поток газа, плазмы, пыли и частиц вокруг черной дыры — и не могла бы породить струи и гамма-всплески, которые мы наблюдали.

"Это, по-видимому, взаимоисключающие явления", - говорит Готлиб. "Для формирования струй необходимы две вещи: сильное магнитное поле и аккреционный диск. Но магнитное поле, создаваемое таким сжатием, не сформирует аккреционный диск, и если вы уменьшите магнетизм до такой степени, что диск сможет сформироваться, то оно будет недостаточно сильным для образования струй".

Это означало, что происходит что-то еще, и ученые стремились выяснить, что именно, обратившись непосредственно к источнику - родительнице черной дыры.

Инфографика, объясняющая, как черные дыры наследуют свой магнетизм. Автор: Люси Рединг-Икканда / Фонд Саймонса

Магнитный источник черной дыры: нейтронная звезда

Ученые поняли, что, возможно, предыдущие модели коллапсирующих нейтронных звезд не давали полной картины.

"В предыдущих моделированиях рассматривались только изолированные нейтронные звезды и изолированные черные дыры, в которых весь магнетизм теряется во время коллапса. Однако мы обнаружили, что у этих нейтронных звезд есть собственные аккреционные диски, как и у черных дыр", - говорит Готлиб.

"Итак, идея заключается в том, что, возможно, аккреционный диск может сохранить магнитное поле нейтронной звезды. Таким образом, образуется черная дыра с теми же линиями магнитного поля, которые пронизывают нейтронную звезду".

Расчеты команды показали, что когда нейтронная звезда

Thumbnail: Нейтронная звездаНейтро́нная звезда́ — космическое тело, являющееся одним из возможных результатов эволюции звёзд, состоящее, в основном, из нейтронной сердцевины, покрытой сравнительно тонкой (около 1 км) корой вещества в виде тяжёлых атомных ядер и электронов. Массы нейтронных звёзд сравнимы с массой Солнца, но типичный радиус нейтронной звезды составляет лишь 10—20 километров. Поэтому средняя плотность вещества такого объекта в несколько раз превышает плотность атомного ядра (которая для тяжёлых ядер составляет в среднем 2,8⋅1017 кг/м³). Дальнейшему гравитационному сжатию нейтронной звезды препятствует давление ядерного вещества, возникающее за счёт взаимодействия нейтронов. Википедия

коллапсирует, прежде чем все ее магнитное поле поглощается вновь образовавшейся черной дырой, диск нейтронной звезды наследуется черной дырой, а линии ее магнитного поля закрепляются.

"Мы провели расчеты для типичных значений, которые мы ожидаем увидеть в этих системах, и в большинстве случаев сроки формирования диска черной дыры короче, чем сроки потери черной дырой своего магнетизма", - говорит Готлиб. "Таким образом, диск позволяет черной дыре унаследовать магнитное поле от своей матери, нейтронной звезды".

Последствия для космоса

Готлиб взволнован новым открытием не только потому, что оно раскрывает давнюю тайну, но и потому, что открывает возможности для дальнейших исследований джетов.

"Это исследование меняет наши представления о том, какие типы систем могут поддерживать образование струй, потому что, если мы знаем, что аккреционные диски предполагают наличие магнетизма, то теоретически все, что вам нужно, - это раннее формирование диска для создания струй", - говорит он. "Я думаю, нам было бы интересно переосмыслить все связи между популяциями звезд и образованием реактивных струй теперь, когда мы это знаем".

Готлиб благодарит научную команду и возможности CCA за то, что они сделали эту работу возможной.

"Это было междисциплинарное сотрудничество, которое позволило нам рассмотреть этот вопрос с разных сторон и сформировать целостную картину эволюции звезды после коллапса", - говорит он.

"А щедрые вычислительные ресурсы CCA позволяют нам проводить моделирование коллапса более последовательно, чем когда-либо прежде. Я думаю, что эти два аспекта привели к инновационному подходу".

Большая энциклопедия: У нее волосы как у матери: Открытие происхождения магнитных полей черных дыр с помощью моделирования звезд и коллапсаров, The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad8563

Источник: Simons Foundation

Подписаться на обновления Новости / Наука

0 комментариев

Оставить комментарий


Новые комментарии

Вата у тебя в башке , раз такое пишешь
  • Анон
У Отца-корифея № 1 мировой фантастики Артура Кларка есть рассказ "Хранитель" - о том, как в одном астронавте сохранили "самое важное послание" от жителей земли, и этот человек полетел на ближайшую...
  • Анон
Интересно то,что огромное колличество ресурсов и главное времени..затрачиваеися на создание машины с квантовыми возможностяии..но не рассматривается что мозг человека уже готов и имеет...
  • Анон
Уже сейчас есть подозрения ученых насчет обитаемости спутника Юпитера — Европы.Есть вода под льдом, возможность жизни под корой льда в воде. Плюс перспектива для проживания людей — если цивилизация...
  • Kitrak
Не нравится мне это открытие. Теперь деревья еще больше под вырубку пойдут.
  • Valery
Ну что же — ждем с нетерпением. Уже давно пора выходить на качественно другой уровень в таких исследованиях.
Хочется только пожелать успешной работы
интерессно. моменты прошлого забывать не стоит
Очень далеко уходит наука вперёд, головы и сердце пересаживают.А принять элементарные роды без последствий, никак не научатся.Пусть все будет на высшем уровне с этой пересадкой головы.Может когда...

Смотреть все