В лаборатории фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ создали расчётную модель. Она открывает путь к проверке важной гипотезы о взаимодействии сверхмассивных чёрных дыр в галактических центрах с порождаемыми ими струями (джетами). Эта модель по измеренным параметрам магнитного поля джета способна предсказать, сколько вращательной энергии теряет испускающая его чёрная дыра.
Современные астрофизики фиксируют сотни джетов — мощнейших струй, вырывающихся почти со световой скоростью из ядер активных галактик, где находятся сверхмассивные чёрные дыры. Их масштабы поражают: длина джета может составлять несколько процентов радиуса галактики, превосходя размер породившей его чёрной дыры примерно в 300 тысяч раз! Эти космические маяки позволяют заглянуть в далёкое прошлое Вселенной. Однако множество вопросов об их природе остаётся. Даже состав джетов доподлинно неизвестен — при наблюдениях не видны спектральные линии; сейчас учёные полагают, что они могут состоять из электронов с позитронами или протонов. Тем не менее, по крупицам надёжных данных постепенно строится целостная модель этих удивительных объектов.
Вращающиеся чёрные дыры, окружённые аккреционным диском (веществом, движущимся вокруг центрального тела) и порождающие джеты, признаны рекордсменами по эффективности. КПД джетов от активных галактических ядер иногда превышает 100%, если оценивать эффективность всей системы "джет + чёрная дыра + аккреционный диск" как отношение энергии джета к энергии падающего на дыру вещества. При этом второй закон термодинамики не нарушается! Оказывается, существенный вклад в энергию джета вносит процесс замедления вращения самой чёрной дыры. То есть, испуская джет, чёрная дыра немного теряет скорость своего вращения.
Полезную аналогию можно провести с электровелосипедом: он движется не только благодаря мускульной силе ездока (внешний фактор, подобный энергии аккрецируемого вещества), но и за счёт встроенного электромотора (внутренний источник, как энергия вращения чёрной дыры).
Джет служит для чёрной дыры механизмом сброса избыточного вращательного момента, который она приобретает от аккрецируемого вещества, вращающегося с огромной скоростью. Похожие эффекты астрофизики давно наблюдают у молодых звёзд. В процессе формирования на звезду падает вещество аккреционного диска, несущее колоссальный угловой момент. Однако наблюдаемая скорость вращения таких звёзд очень мала. Весь избыток вращательного момента уносится узкими джетами, испускаемыми этими звёздами.
Совсем недавно астрофизики освоили новейший метод! Он позволяет определять магнитные поля внутри джетов активных галактических ядер. Вдохновляющая работа Елены Нохриной продемонстрировала: этот метод открывает возможность оценить ценный энергетический вклад! Он возникает благодаря замедлению вращения черной дыры и добавляется к общей мощности джета. Интересно, что до последнего времени ключевая формула — отвечающая на вопрос о передаче энергии вращения черной дыры в джет — ждала подтверждения от реальных наблюдений. При этом крайне важный параметр, управляющий скоростью потери черной дырой энергии вращения — а именно, скорость ее собственного вращения — пока недоступен для надежного определения прямыми наблюдениями.
Черная дыра сама по себе не способна генерировать личное магнитное поле. Однако вокруг нее успешно формируется вертикальное магнитное поле! Оно тесно связано с магнитным полем вещества аккреционного диска. Для точной оценки потери черной дырой энергии ее вращения жизненно важно вычислить величину потока магнитного поля. Этот поток должен пересекать таинственный горизонт черной дыры.
Автор исследования, заместитель руководителя лаборатории фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ Елена Нохрина, поясняет суть подхода. Магнитный поток обладает свойством сохранения. Измеряя его величину в джете далеко от черной дыры, мы фактически получаем значение этого потока и вблизи нее. Зная массу черной дыры, вычисляем расстояние от оси ее стремительного вращения до горизонта событий. Горизонт событий — это условная, но очень важная граница черной дыры. После этого открывается перспектива оценить разность потенциалов между огненной осью вращения и этой самой границей. Величину электрического тока возле черной дыры определяют благодаря условию эффективного экранирования электрического поля в окружающей плазме. Имея данные и о токе, и о разности потенциалов, можно уверенно рассчитать заветные энергетические потери вращения черной дыры!
Проведенные сложные расчеты ярко указали на корреляцию! Есть связь между величиной полной мощности джета, извергаемого черной дырой, и потерями ее вращательной энергии. Важно подчеркнуть недавнюю эволюцию моделей: долгие годы для упрощения применялась модель однородной поперечной структуры джетов. Для получения более точных и репрезентативных оценок в работе задействовали прогрессивную модель! Эта модель учитывает гораздо более реальную неоднородную поперечную структуру магнитного поля внутри джета.
Для далеких галактик картина магнитного поля в их джетах выглядит для наблюдателей довольно размыто. Причина в том, что поперечная структура большинства джетов попросту не видна современным инструментам. Решают задачу так: магнитное поле, зафиксированное экспериментально, сравнивают с его модельной поперечной структурой! Это сопоставление позволяет оценить величины компонентов магнитного поля. Ключевое достижение: именно тщательный учет реальной поперечной структуры позволяет успешно проверять механизм потерь энергии. И все это — без опоры на пока недоступную информацию о таинственной скорости вращения самой черной дыры!
Согласно исследованной гипотезе, количество энергии, переносимое джетом через просторы Вселенной, зависит от двух величин. Это поток магнитного поля и скорость вращения черной дыры! Таким замечательным образом открывается возможность оценить вклад потерь вращательной энергии черной дыры в итоговую мощность джета. По-настоящему потрясающий итог этой теоретической работы — появившаяся возможность! Теперь можно получить оценку потерь вращательной энергии черной дырой, просто измеряя магнитное поле в ее джете. И опять же — абсолютно не нуждаясь в данных о скорости вращения черной дыры!
Логотип для изображения взят с официального сайта МФТИ
Исследователи из Московского физико-технического института совершили прорыв в изучении загадочных черных дыр! Их новые расчеты проливают свет на захватывающий процесс замедления вращения этих космических гигантов.
Энергетический Джет как Космический Тормоз
Ученые выяснили: ключевую роль в замедлении вращения сверхмассивной черной дыры играет мощный джет — яркая струя частиц и излучения, вырывающаяся из ее окрестностей в пространство. Этот джет действует как невероятно сильный тормоз! Чем больше энергии джет уносит прочь, тем больше вращение черной дыры теряет свою скорость.
Основываясь на блестящих идеях Роджера Пенроуза, ученые смогли рассчитать, как именно мощность джета влияет на интенсивность этого удивительного "тормозного" эффекта. Их модель раскрывает прямую зависимость: чем мощнее поток энергии в джете, тем значительнее замедляется вращение черной дыры со временем. Это превращает джет в своеобразного дирижера процесса потери вращения!
От Гипотезы к Прочным Расчетам
Исследователям впервые удалось построить расчетную модель, которая наглядно показывает связь между энергией джета и угловым моментом. Угловой момент — это мера вращения, и модель демонстрирует, как именно его изменение соотносится с мощностью джета. До этой работы все подобные описания считались крайне условными. Теперь у нас есть конкретные, обоснованные уравнения!
Итог работы ученых МФТИ впечатляет: мощные релятивистские джеты служат главным механизмом, обеспечивающим эффективное гашение вращения сверхмассивных черных дыр. Эти струи буквально "откачивают" энергию вращения, позволяя черным дырам постепенно замедляться. Данное открытие — важный шаг к полному пониманию жизненного цикла самых могучих объектов в нашей Вселенной!
