Несмотря на десятилетия исследований, черные дыры по-прежнему остаются одним из самых загадочных объектов во Вселенной. Как мы знаем из общей теории относительности Эйнштейна, гравитационная сила этих остатков звезд меняет кривизну пространства-времени вокруг них. Это приводит к тому, что газ, пыль и даже фотоны (свет) рядом с ними падают внутрь, образуя диски, которые медленно накапливаются на их поверхности, и их больше никогда не увидеть. Однако астрономы также обнаружили, что они могут создавать мощные струи, которые ускоряют заряженные частицы почти до скорости света (также известные как релятивистские струи).
Эти струи приводят к мощным гамма-всплескам (GRB), которые наблюдались в черных дырах с сильными магнитными полями. Однако откуда берутся эти магнитные поля, долгое время оставалось загадкой для астрофизиков. Согласно новому исследованию ученых из Института Флэтайрон, источник этих полей, возможно, наконец-то обнаружен. Основываясь на серии симуляций, которые они провели, моделируя жизненный цикл звезд от рождения до коллапса, они обнаружили, что черные дыры наследуют свои магнитные поля от самих родительских звезд.
Исследование возглавил Оре Готлиб, научный сотрудник группы теоретической астрофизики высоких энергий (THEA) Центра вычислительной астрофизики (CCA) Института Флэтайрон и Лаборатории астрофизики Колумбийского университета. К нему присоединились коллеги из CCA и CAL, а также исследователи из Университета Аризоны, Стюардской обсерватории и Принстонского университета. Статья с подробным описанием результатов была опубликована 18 ноября в журнале Астрофизические дневниковые письма.
Черные дыры образуются в результате коллапса протонейтронных звезд, которые, по сути, остаются после того, как массивные звезды сбрасывают свои внешние слои в результате взрыва сверхновой. Хотя существует несколько теорий о том, откуда черные дыры получают свой магнетизм, ни одна из них не смогла объяснить силу струй черных дыр или гамма-всплесков. С помощью своего моделирования команда изначально хотела изучить потоки черных дыр, в том числе струи, которые производят гамма-всплески. Однако, как объяснил Готлиб в пресс-релизе Simons Foundation, команда столкнулась с проблемой с моделями:
«Мы не были уверены, как смоделировать поведение этих магнитных полей во время коллапса нейтронной звезды в черную дыру. Итак, это был вопрос, над которым я впервые начал думать. Ранее предполагалось, что магнитные поля коллапсирующих звезд коллапсируют в черную дыру. Во время этого коллапса эти силовые линии магнитного поля становятся сильнее из-за сжатия, поэтому плотность магнитных полей становится выше».
Единственная проблема этой теории заключается в том, что сильные магнитные поля нейтронных звезд заставляют их терять свой угловой момент (спин). Без этого газ, плазма и пыль, окружающие вновь образовавшиеся черные дыры, не будут формировать вокруг себя аккреционный диск. Это, в свою очередь, не позволит черным дырам создавать струи и гамма-всплески, наблюдаемые астрономами. Это говорит о том, что предыдущие моделирования коллапса нейтронных звезд не давали полной картины. Готлиб сказал:
«Это кажется взаимоисключающим. Для образования джетов необходимы 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, он не будет достаточно сильным, чтобы произвести струи. Предыдущие модели рассматривали только изолированные нейтронные звезды и изолированные черные дыры, где при коллапсе весь магнетизм теряется. Однако мы обнаружили, что, как и черные дыры, эти нейтронные звезды имеют собственные аккреционные диски. 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».
Команда выполнила расчеты коллапса нейтронных звезд в черные дыры и обнаружила, что в большинстве случаев время формирования диска черной дыры часто короче, чем время, необходимое черной дыре для потери своего магнетизма. Короче говоря, прежде чем вновь образовавшаяся черная дыра поглотит магнитное поле протонейтронной звезды, ее силовые линии магнитного поля закрепляются в окружающем диске нейтронной звезды и мигрируют к черной дыре. Вот как это охарактеризовал Готлиб:
«Таким образом, диск позволяет черной дыре унаследовать магнитное поле от своей матери, нейтронной звезды. Мы видим, что по мере формирования этой черной дыры окружающий диск протонейтронной звезды по существу прикрепляет свои магнитные линии к черной дыре. Очень интересно наконец понять это фундаментальное свойство черных дыр и то, как они вызывают гамма-всплески — самые яркие взрывы во Вселенной».
Это открытие решает давнюю загадку того, откуда черные дыры получают свои магнитные поля. Он также предлагает астрономам новые возможности для изучения релятивистских струй и гамма-всплесков, одного из самых мощных явлений во Вселенной. Если эти результаты подтвердятся, они позволят предположить, что формирование раннего аккреционного диска является единственной предпосылкой для формирования мощных джетов. Готлиб и его команда с нетерпением ждут возможности проверить эту теорию будущими наблюдениями.
Дополнительная литература: Фонд Саймонса, Астрофизические дневниковые письма
