Большинство черных дыр могут вращаться гораздо медленнее, чем предполагалось. Когда черные дыры образуются из коллапсирующих звезд, они испускают мощные струи энергии, и эти струи замедляют вращение черных дыр почти до нуля в течение нескольких минут.Реактивные струи плазмы коллапсаров способны замедлять вращение черных дыр почти до нуля в течение нескольких минут. НАСА / Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт  (NASA/JPL-Caltech)

Вращение новорожденной черной дыры регулируется двумя противоположными процессами. Когда на ее орбиту падает быстро движущееся вещество, черная дыра получает энергию, и ее вращение ускоряется. Но это же самое поглощение приводит к тому, что в течение нескольких минут из черной дыры вырывается огромный джет, что приводит к утечке энергии и замедляет ее вращение.

Астрофизик Джонатан Жакмен-Иде из Северо-Западного университета в Иллинойсе и его коллеги использовали серию симуляций, чтобы понять, как взаимодействуют эти два процесса и что происходит с черными дырами после завершения их формирования. Они обнаружили, что коллапсары - именно так называют черные дыры, образующиеся в результате схлопывания звезды и составляющие большую их часть в нашей Вселенной, - вообще не должны вращаться.

"Раньше в большинстве работ ученые не учитывали снижение скорости вращения ЧД при выбросе вещества. То есть в симуляциях черные дыры только и делали, что ели, ели и ели газ. И это раскручивало их все больше и больше. Поэтому мы ожидали, что спин черных дыр достигнет максимальных значений", - говорит Жакмен-Иде.

Астрономы измеряют вращение черных дыр с помощью безразмерного параметра, называемого спином, или  α . Когда  α равно 0, черная дыра не вращается вообще. Когда α равно 1, она вращается с максимально возможной скоростью для объекта с ее массой. Исследователи обнаружили, что сразу после своего рождения коллапсары вращаются с безразмерным спином около 0,2 или чуть ниже.

На расстоянии 13,2 миллиарда световых лет обнаружена самая древняя черная дыра, ровесница Вселенной

"Это показывает, насколько мощными могут быть реактивные струи", - говорит Жакмен-Иде. "Больше всего меня удивило то, что это происходит чрезвычайно быстро - у вас есть событие, которое длится, может быть, 100 секунд, но за это время оно может абсолютно изменить характер вращения черной дыры".

Это совпадает с тем, что астрономы наблюдали с помощью гравитационных волн, которые представляют собой пульсацию в пространстве-времени, возникающую из-за движения массивных космических объектов.

Это совпадает с тем, что астрономы наблюдали с помощью гравитационных волн, которые представляют собой пульсацию в пространстве-времени, возникающую из-за движения массивных космических объектов. Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) зафиксировала волны от почти сотни слияний ЧД. И все измерения подтверждают, что безразмерный спин черных дыр до момента их слияния обычно находится в пределах 0,2.

"С помощью гравитационных волн можно изучить эволюцию черных дыр в очень специфический момент их жизни - в самом ее конце, а до этого они миллиарды лет занимались совершенно другими делами", - говорит Катерина Чатзиоанну из Калифорнийского технологического института. "Эта работа позволила нам добавить еще один кусочек к головоломке их жизни".

Новое открытие также могло бы помочь нам проводить дифференциацию различных типов черных дыр. "Существуют и другие способы формирования черных дыр, кроме коллапса звезд - возможно, более редкие, но они есть", - рассказывает Чатзиоанну. "До последнего момента мы понятия не имели, как их различать, но теперь мы хорошо представляем, как это сделать".

Черные дыры, прошедшие через слияние, обычно имеют более высокий спин, ближе к 0,7, чем "новорождённые" коллапсары, рассматриваемые исследователями, поэтому измерение скорости вращения черных дыр может помочь ученым собрать воедино их прошлое.

Большинство новорожденных черных дыр извергают газ с такой силой, что почти прекращают вращаться. Когда черные дыры появляются при коллапсе звезд, они в течении непродолжительного времени испускают струи вещества, что замедляет ее вращение буквально до полной остановки. НАСА / Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт  (NASA/JPL-Caltech)

Аннотация к научной статье

Спин формирующейся черной дыры (ЧД) в центре массивной звезды меняется по сравнению с исходным значением под действием двух конкурирующих процессов: углового момента аккрецирующего газа, который увеличивает спин, и углового момента излучения ЧД, который уменьшает спин. В конце концов, окончательный, равновесный спин устанавливается балансом между обоими процессами.

В процессе формирования релятивистских джетов и выброса излучения γ-излучения (GRB) важную роль играет магнитное поле ЧД. В контексте данного исследования ученые рассмотрели модель аккреционного диска с магнитным полем (MAD), управляющего спиновой эволюцией BH.

Применяя к коллапсарам аналитическую модель спиновой эволюции MAD BH Лоуэлла, авторы показали, что, если ЧД аккрецирует около 20 процентов от своей начальной массы, его безразмерный спин неизбежно достигает малых значений, α ≲ 0.2. Для таких спинов и для скоростей аккреции массы, полученных в результате симуляции коллапсара, экперты показали, что новая аналитическая модель воспроизводит энергетику типичных струй GRB, Ljet ∼ 10⁵⁰ (10^50) эрг с^-1 (с^-1).

Кроме того, ученые показали, что разработанная ими модель воспроизводит почти постоянную мощность типичных струй GRB. Если начало процесса MAD задерживается, это позволяет получить более мощные струи в верхней части свечения GRB, Ljet ∼ 10⁵²  (10^52) эрг с^-1, однако конечный спин остается низким,  α ≲ 0.3. Эти результаты согласуются с низкими спинами, полученными из гравитационно-волновых наблюдений слияний бинарных черных дыр.