Попытка разгадать ключевую загадку черных дыр: моделирование магнитных потоков вокруг черных дыр

Художественное изображение черной дыры, окруженной тонким сильно намагниченным диском. Автор: Steven Burrows/Prasun Dhang

Черные дыры были увлекательными объектами изучения не только потому, что они являются космическими пылесосами, но и потому, что они являются двигателями огромной мощности, способными извлекать и перераспределять энергию в ошеломляющих масштабах. Эти темные гиганты часто окружены закрученными дисками газа и пыли, известными как аккреционные диски.

Когда эти диски сильно намагничены, они могут действовать как галактические электростанции, извлекая энергию из вращения черной дыры в процессе, известном как эффект Бландфорда-Знаека (БЗ).

Хотя ученые выдвинули теорию о том, что эффект БЖ является основным механизмом в процессе извлечения энергии, остается много неизвестных, например, что определяет, сколько энергии направляется в мощные струи — мощные потоки частиц и энергии, выбрасываемые вдоль полюсов черной дыры, — или рассеивается в виде тепла.

Чтобы ответить на эти вопросы, научный сотрудник JILA Прасун Дханг и стипендиаты JILA и профессора астрофизических и планетарных наук Университета Колорадо в Боулдере Митч Бегельман и Джейсон Декстер обратились к передовым компьютерным симуляциям. Моделируя черные дыры, окруженные тонкими, сильно намагниченными аккреционными дисками, они стремились раскрыть базовую физику, которая управляет этими загадочными системами.

Их выводы, опубликованные в The Astrophysical Journal, предлагают важнейшее понимание сложной физики вокруг черных дыр и могут изменить наше понимание их роли в формировании галактик.

«Давно известно, что падающий газ может извлекать энергию вращения из черной дыры», — поясняет Декстер.

«Обычно мы предполагаем, что это важно для питания струй. Проведя более точные измерения, Прасун показал, что извлекается гораздо больше энергии, чем считалось ранее. Эта энергия может излучаться в виде света или может вызывать течение газа наружу. В любом случае, извлеченная энергия спина может быть важным источником энергии для освещения областей вблизи горизонта событий черной дыры».

Сравнение черной дыры с черной дырой

На протяжении десятилетий ученые изучали черные дыры и их взаимодействие с окружающим газом и магнитными полями, чтобы понять, как они питают некоторые из самых энергичных явлений во Вселенной.

Ранние исследования были сосредоточены в основном на источниках черных дыр с низкой светимостью и квазисферическим аккреционным потоком, поскольку эти системы сравнительно легче моделировать и сопоставлять со многими наблюдаемыми джетами.

Однако, черные дыры высокой светимости с геометрически более тонкими, более плотными намагниченными дисками представляют собой уникальную проблему. Эти системы теоретически нестабильны из-за дисбаланса нагрева и охлаждения.

Однако предыдущие исследования, в том числе проведенные Митчем Бегельманом, предполагали, что сильные магнитные поля могут стабилизировать эти тонкие диски, но детали их роли в извлечении энергии и формировании струй в таких условиях оставались неясными.

«Мы хотели понять, как происходит извлечение энергии в этих сильно намагниченных средах», — объясняет Дханг.

Моделирование намагниченных потоков вокруг черных дыр

Для изучения этого явления группа использовала передовые компьютерные симуляции, в частности, особый тип модели, называемый трехмерной общей релятивистской магнитогидродинамической моделью (GRMHD).

Модель GRMHD работает как вычислительная структура, которая моделирует поведение намагниченной плазмы в искривленном пространстве-времени вокруг черных дыр, объединяя физику магнитных полей, гидродинамику и общую теорию относительности Эйнштейна для захвата сложных взаимодействий в этих экстремальных средах. Используя структуру, исследователи наблюдали, как магнитные поля взаимодействуют с черными дырами, вращающимися с разными скоростями.

«Цель состояла в том, чтобы увидеть, как магнитный поток, пронизывающий черную дыру, влияет на извлечение энергии и приводит ли это к образованию джетов», — говорит Дханг.

Моделирование моделировало тонкие, намагниченные аккреционные диски и исследовало, сколько энергии черная дыра передала в свое окружение. Изучая эффективность этого извлечения энергии, команда идентифицировала различные спины черной дыры и магнитные конфигурации с джетами.

Проявление силы BZ

В результате моделирования команда обнаружила, что в зависимости от скорости вращения черной дыры от 10% до 70% энергии, извлекаемой в процессе BZ, направлялось в струи.

«Чем выше скорость вращения, тем больше энергии может высвободить черная дыра», — отмечает Дханг.

Однако не вся энергия уходила в струи; часть поглощалась обратно в диск или рассеивалась в виде тепла.

Хотя моделирование не смогло определить, куда уходит избыточная энергия, Дханг планирует изучить этот вопрос более подробно, чтобы лучше понять, как образуются джеты, поскольку джеты часто встречаются в активных системах галактических ядер, таких как квазары.

Из своих моделей исследователи обнаружили, что сильные магнитные поля увеличили эффективность излучения диска, сделав его ярче. Эта дополнительная светимость может объяснить, почему некоторые черные дыры кажутся гораздо более яркими, чем предсказывают теоретические модели.

«Неиспользованная энергия вблизи черной дыры может нагревать диск и способствовать образованию короны», — отмечает Дханг.

Корона — область горячего газа, окружающая черную дыру и испускающая интенсивное рентгеновское излучение, — имеет решающее значение для формирования света, который мы наблюдаем в этих системах, но точный процесс ее формирования остается неясным.

Исследователи надеются использовать дальнейшее моделирование, чтобы понять динамику формирования короны черной дыры.

Больше информации: Prasun Dhang et al, Energy Extraction from a Black Hole by a Strongly Magnetized Thin Accretion Disk, The Astrophysical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-4357/ada76e

Источник: JILA