3D-рендеринг аккреционного диска быстро вращающейся черной дыры и образовавшейся струи, приводящей в движение черную дыру. Фото предоставлено: Оре Готлиб и др. (2024)
Черные дыры являются одними из самых загадочных звездных объектов. Хотя они наиболее известны тем, что пожирают окружающую среду в гравитационной яме, из которой ничто не может выбраться, они также могут стрелять мощными лучами заряженных частиц, которые приводят к взрывным вспышкам гамма-излучения, которые могут высвободить больше энергии, чем наша, всего за несколько секунд. Солнце на протяжении всей своей жизни.
Чтобы произошло такое впечатляющее событие, черная дыра должна иметь сильное магнитное поле. Однако откуда берется этот магнетизм, долгое время оставалось загадкой.
Используя расчеты формирования черных дыр, ученые Института Флэтайрон и их сотрудники наконец нашли источник этих магнитных полей: коллапсирующие родительские звезды самих черных дыр. Исследователи сообщили о своих выводах 18 ноября в The Astrophysical Journal Letters.
Черные дыры могут образоваться после того, как звезда взорвется как сверхновая, оставив после себя плотное ядро, называемое протонейтронной звездой.
«Протонейтронные звезды — матери черных дыр, потому что при их коллапсе образуется черная дыра. Мы видим, что по мере формирования этой черной дыры окружающий диск протонейтронной звезды по существу прикрепляет свои магнитные линии к черной дыре», — говорит Оре Готлиб, ведущий автор исследования и научный сотрудник Центра вычислительной астрофизики (CCA). ) из Института Флэтайрон в Нью-Йорке.
«Очень интересно наконец понять это фундаментальное свойство черных дыр и то, как они вызывают гамма-всплески — самые яркие взрывы во Вселенной».
Готлиб стал соавтором исследования вместе с коллегами-исследователями CCA Брайаном Мецгером, Джаредом Голдбергом, Маттео Кантьелло и Матье Ренцо.
Секрет магнетизма
Первоначальной целью команды было смоделировать путь звезды от рождения через коллапс до образования черной дыры. Команда хотела использовать свое моделирование для изучения потоков из черной дыры, таких как струи, производящие гамма-всплески. Однако команда Готлиба столкнулась с проблемой 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 начал думать».
Было несколько теорий о черных дырах и их магнетизме, но, похоже, ни одна из них не сходилась во мнении, когда дело касалось мощности струй черной дыры и гамма-всплесков.
«Предполагалось, что магнитные поля коллапсирующих звезд коллапсируют, образуя черную дыру», — говорит Готлиб. «Во время этого коллапса эти силовые линии магнитного поля становятся сильнее из-за сжатия, поэтому плотность магнитных полей становится выше».
Проблема с этим объяснением заключалась в том, что сильный магнетизм звезды заставляет звезду терять свое вращение. А без быстрого вращения новорожденная черная дыра не может сформировать аккреционный диск — поток газа, плазмы, пыли и частиц вокруг черной дыры — и не может производить струи и гамма-всплески, которые мы наблюдали.
«Это кажется взаимоисключающим», — говорит Готлиб. «Для формирования джетов нужны две вещи: сильное магнитное поле и аккреционный диск. Но магнитное поле, созданное таким сжатием, не образует аккреционный диск, и если вы уменьшите магнетизм настолько, чтобы диск сформировался, то он окажется недостаточно сильным, чтобы произвести струи».
Это означало, что происходит что-то еще, и ученые хотели выяснить, что это было, обратившись прямо к источнику: родителю черной дыры.
Инфографика, объясняющая, как черные дыры наследуют свой магнетизм. Фото предоставлено: Люси Ридинг-Икканда / Фонд Саймонса
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте ежедневные или еженедельные новости о прорывах, инновациях и важных результатах исследований.
Магнитный родитель черной дыры: нейтронная звезда
Ученые поняли, что предыдущие модели коллапса нейтронных звезд, возможно, не дали полной картины.
«Предыдущие модели рассматривали только изолированные нейтронные звезды и изолированные черные дыры, где весь магнетизм теряется при коллапсе. «Однако мы обнаружили, что у этих нейтронных звезд есть свои собственные аккреционные диски, как и у черных дыр», — говорит Готлиб.
«Идея состоит в том, что, возможно, аккреционный диск сможет сохранить магнитное поле нейтронной звезды. Таким образом, создается черная дыра с теми же линиями магнитного поля, которые прошли через нейтронную звезду».
Расчеты команды показали, что когда нейтронная звезда коллапсирует, прежде чем все ее магнитное поле будет поглощено вновь образовавшейся черной дырой, диск нейтронной звезды захватывается черной дырой, и ее силовые линии закрепляются.
«Мы провели расчеты для типичных значений, которые мы ожидаем в этих системах, и в большинстве случаев сроки формирования диска черной дыры короче, чем сроки, в течение которых черная дыра утрачивает свой магнетизм», — говорит Готлиб. «Таким образом, диск позволяет черной дыре унаследовать магнитное поле от своей матери, нейтронной звезды».
Влияние на весь космос
Готлиб воодушевлен новым открытием не только потому, что оно решает давнюю загадку, но и потому, что оно открывает двери для дальнейшего изучения реактивных самолетов.
«Это исследование меняет наше представление о том, какие типы систем могут поддерживать формирование струй, потому что если мы знаем, что аккреционные диски подразумевают магнетизм, то теоретически все, что нужно, — это раннее формирование дисков, чтобы привести в движение струи», — говорит он. «Я думаю, что теперь, когда мы это знаем, нам было бы интересно переосмыслить все связи между звездным населением и формированием джетов».
Готлиб высоко оценивает командную работу и навыки CCA, которые сделали эту работу возможной.
«Это было междисциплинарное сотрудничество, которое позволило нам ответить на этот вопрос с разных сторон и нарисовать целостную картину эволюции звезды после коллапса», — говорит он.
«А щедрые вычислительные ресурсы CCA позволили нам провести моделирование коллапса более последовательно, чем когда-либо прежде. Я думаю, что эти два аспекта привели к инновационному подходу».
Информация от: Фондом Саймонса
