Черные дыры не всегда находятся в темноте. Астрономы заметили интенсивные световые шоу, сияющие сразу за горизонтом событий сверхмассивных черных дыр, в том числе в ядре нашей галактики. Однако ученые не смогли определить причину этих вспышек, кроме предполагаемого участия магнитных полей.

Используя компьютерное моделирование беспрецедентной мощности и разрешения, физики говорят, что они разгадали загадку: энергия, высвобождаемая вблизи горизонта событий черной дыры во время повторного соединения силовых линий магнитного поля, питает вспышки, сообщают исследователи 14 января в The Astrophysical Journal Letters.

Новое моделирование показывает, что взаимодействия между магнитным полем и материалом, попадающим в пасть черной дыры, заставляют поле сжиматься, сглаживаться, разрываться и снова соединяться. Этот процесс в конечном счете использует магнитную энергию, чтобы выбрасывать частицы горячей плазмы со скоростью, близкой к скорости света, в черную дыру или в космос. Затем эти частицы могут напрямую излучать часть своей кинетической энергии в виде фотонов и давать близлежащим фотонам импульс энергии. Эти энергичные фотоны составляют загадочные вспышки черных дыр.

В этой модели диск ранее падавшего материала выбрасывается во время вспышек, очищая область вокруг горизонта событий. Эта уборка может предоставить астрономам беспрепятственный обзор обычно скрытых процессов, происходящих сразу за горизонтом событий.

«Фундаментальный процесс воссоединения силовых линий магнитного поля вблизи горизонта событий может использовать магнитную энергию магнитосферы черной дыры для питания быстрых и ярких вспышек», — говорит соавтор исследования Барт Рипперда, совместный научный сотрудник Центра исследований Института Флэтайрон. Вычислительная астрофизика (CCA) в Нью-Йорке и Принстонском университете. «Именно здесь мы действительно соединяем физику плазмы с астрофизикой».

Рипперда выступил соавтором нового исследования вместе с научным сотрудником CCA Александром Филипповым, учеными Гарвардского университета Мэтью Лиска и Кошиком Чаттерджи, учеными Амстердамского университета Гибвой Мусоке и Серой Маркофф, ученым Северо-Западного университета Александром Чеховской и ученым Университетского колледжа Лондона Зири Юнси.

Черная дыра, в соответствии со своим названием, не излучает света. Таким образом, вспышки должны возникать за пределами горизонта событий черной дыры — границы, где гравитационное притяжение черной дыры становится настолько сильным, что даже свет не может выйти. Движущийся по орбите и падающий материал окружает черные дыры в виде аккреционного диска, подобного тому, который окружает гигантскую черную дыру в галактике M87. Этот материал устремляется к горизонту событий вблизи экватора черной дыры. На северном и южном полюсах некоторых из этих черных дыр струи частиц выбрасываются в космос почти со скоростью света.

Определить, где в анатомии черной дыры образуются вспышки, невероятно сложно из-за задействованной физики. Черные дыры искривляют время и пространство и окружены мощными магнитными полями, радиационными полями и турбулентной плазмой — материей настолько горячей, что электроны отрываются от их атомов. Даже с помощью мощных компьютеров предыдущие попытки могли только моделировать системы черных дыр с разрешением, слишком низким, чтобы увидеть механизм, приводящий в действие вспышки.

Рипперда и его коллеги сделали все возможное, чтобы повысить уровень детализации своих симуляций. Они использовали вычислительное время на трех суперкомпьютерах — суперкомпьютере Summit в Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси, суперкомпьютере Longhorn в Техасском университете в Остине и суперкомпьютере Popeye Института Флэтайрон, расположенном в Калифорнийском университете в Сан-Диего. В общей сложности проект занял миллионы вычислительных часов. Результатом всех этих вычислительных усилий стало моделирование окружения черной дыры с самым высоким разрешением из когда-либо созданных, с разрешением более чем в 1000 раз превышающим предыдущие попытки.

Увеличенное разрешение дало исследователям беспрецедентную картину механизмов, ведущих к вспышке черной дыры. Процесс сосредоточен на магнитном поле черной дыры, линии магнитного поля которого исходят из горизонта событий черной дыры, образуя джет и соединяясь с аккреционным диском. Предыдущие симуляции показали, что материал, втекающий в экватор черной дыры, тянет силовые линии магнитного поля к горизонту событий. Перетаскиваемые силовые линии начинают складываться возле горизонта событий , в конечном итоге отталкивая и блокируя втекающий материал.

Благодаря исключительному разрешению новое моделирование впервые зафиксировало, как магнитное поле на границе между текущим материалом и струями черной дыры усиливается, сжимая и сглаживая экваториальные силовые линии. Эти силовые линии теперь чередуются, указывая на черную дыру или от нее. Когда две линии, направленные в противоположные стороны, встречаются, они могут разорваться, снова соединиться и запутаться. Между точками соединения в магнитном поле образуется карман. Эти карманы заполнены горячей плазмой, которая либо падает в черную дыру, либо разгоняется в космос с огромной скоростью благодаря энергии, забираемой из магнитного поля в джетах.

«Без высокого разрешения наших симуляций вы не смогли бы уловить субдинамику и субструктуры», — говорит Рипперда. «В моделях с низким разрешением повторного соединения не происходит, поэтому нет механизма, который мог бы ускорить частицы».

Частицы плазмы в катапультированном материале немедленно излучают часть энергии в виде фотонов. Частицы плазмы могут еще больше погружаться в диапазон энергий, необходимый для придания энергии соседним фотонам. Эти фотоны, либо прохожие, либо фотоны, первоначально созданные запущенной плазмой, составляют самые мощные вспышки. Сам материал оказывается в горячем шарике, вращающемся вокруг черной дыры. Такая капля была обнаружена вблизи сверхмассивной черной дыры Млечного Пути. «Магнитное пересоединение, приводящее в действие такую ​​горячую точку, является неопровержимым доказательством этого наблюдения», — говорит Рипперда.

Исследователи также заметили, что после вспышки черной дыры энергия магнитного поля ослабевает, и система перезагружается. Затем, со временем, процесс начинается заново. Этот циклический механизм объясняет, почему черные дыры излучают вспышки по установленному графику, начиная от каждого дня (для сверхмассивной черной дыры нашего Млечного Пути) до раз в несколько лет (для M87 и других черных дыр ).

Рипперда считает, что наблюдения с недавно запущенного космического телескопа Джеймса Уэбба в сочетании с наблюдениями с телескопа Event Horizon могут подтвердить, происходит ли процесс, наблюдаемый в новых симуляциях, и меняет ли он изображения тени черной дыры. «Придется посмотреть», — говорит Рипперда. На данный момент он и его коллеги работают над тем, чтобы сделать свои симуляции еще более детализированными.