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.

Художественная репродукция вспышки, испускаемой сверхмассивной черной дырой. NASA/JPL-Caltech

 

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.

Диаграмма линий магнитного поля (зеленые), скручивающихся и вновь объединяющихся в момент возникновения вспышки. B. Ripperda et al., Astrophysical Journal Letters 2022

 

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/