Вопреки своему названию, черные дыры, как известно, время от времени испускают вспышки, но как именно это происходит, до сих пор оставалось загадкой. Благодаря моделированию с высоким разрешением удалось выяснить, как закрученные магнитные поля могут выбрасывать огромное количество энергии.
Известно, что гравитационное притяжение черных дыр настолько сильно, что даже свет не может вырваться наружу. Поэтому сама мысль о том, что из черных дыр исходят вспышки света, кажется странной, но они происходят довольно регулярно. Они исходят не из самой черной дыры, а из ее аккреционного диска - горячего, яркого кольца материи, движущегося по орбите и падающего внутрь объекта.
Чаще всего вспышки света вызваны падением пыли и газа, которые нагревают материал и заставляют его ярко светиться. Но в других случаях вспышки наблюдаются вдали от черной дыры, и их труднее объяснить. Долгое время предполагалось, что они связаны с интенсивными магнитными полями вокруг этих объектов.
Поэтому для нового исследования астрономы провели самое тщательное моделирование черных дыр из когда-либо проводившихся. В рамках проекта на трех суперкомпьютерах - Longhorn, Popeye и Summit, втором по мощности суперкомпьютере в мире, - были проведены миллионы вычислительных процедур. Конечным результатом стало моделирование черной дыры с разрешением, более чем в 1000 раз превышающим разрешение предыдущих экспериментов, что позволило получить более полное представление о процессах, происходящих во время вспышки черной дыры.
Моделирование показало, что когда материал втекает в черную дыру, он увлекает за собой силовые линии магнитного поля. Эти линии поля начинают накапливаться вблизи горизонта событий, пока не начинают блокировать падение материала. Давление материала, пытающегося упасть внутрь, сжимает и расплющивает линии магнитного поля, пока они не образуют волны, направленные либо в сторону черной дыры, либо от нее.
Когда линии поля, идущие в противоположных направлениях, встречаются, они могут разорвать свои существующие связи и соединиться друг с другом. В результате энергия передается в окружающую горячую плазму, при этом часть частиц устремляется в черную дыру, а часть - в космос. Последние и являются видимыми вспышками.
"Без высокого разрешения наших симуляций невозможно было бы понять субдинамические процессы и субструктуры", - сказал Барт Рипперда, соавтор исследования. "В моделях с низким разрешением пересоединение не происходит, поэтому нет механизма, который мог бы ускорить частицы".
Но материал, выброшенный в результате этого магнитного пересоединения, может недолго просуществовать вдали от черной дыры. Команда говорит, что горячий сгусток плазмы может оказаться на орбите вокруг нее, и такие примеры можно наблюдать вокруг сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути.
В ходе моделирования также было установлено, что эти вспышки могут быть цикличными. Энергия магнитного поля через некоторое время ослабевает и через некоторое время "перезагружается" и снова запускает процесс. Причем эти циклы таких вспышек могут происходить в самых разных временных интервалах от нескольких дней до нескольких лет.
Исследователи говорят, что будущие наблюдения с помощью только что запущенного космического телескопа James Webb могут подтвердить, является ли происходящее в симуляции тем, что происходит в самом деле.
Моделирование вспышки черной дыры. (ссылка на видео https://vimeo.com/434571430)
Исследование было опубликовано в журнале The Astrophysical Journal Letters.
Источники: Фонд Саймонса
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac46a1
https://www.simonsfoundation.org/2022/02/03/origin-of-supermassive-black-hole-flares-identified-largest-ever-simulations-suggest-flickering-powered-by-magnetic-reconnection/