За сто лет до того, как в 2019 году сотрудничество Event Horizon Telescope представило первое изображение чёрной дыры в галактике M87, астроном Хибер Кёртис уже обнаружил странную струю, исходящую из центра этой галактики. Сегодня мы знаем, что это джет чёрной дыры M87*. Такие струи испускают и другие чёрные дыры.
Теоретические астрофизики из Университета имени Иоганна Вольфганга Гёте разработали числовой код, который с высокой математической точностью описывает, как чёрные дыры преобразуют свою энергию вращения в сверхбыстрые джеты.
Результаты опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters.
Почти два века оставалось неясным, что яркое пятно в созвездии Девы, которое Шарль Мессье описал в 1781 году как «87: туманность без звёзд», на самом деле является очень большой галактикой. В результате поначалу не было объяснения для странной струи, обнаруженной в 1918 году, исходящей из центра этой «туманности».
В центре гигантской галактики M87 находится чёрная дыра M87, которая содержит ошеломляющие шесть с половиной миллиардов солнечных масс и быстро вращается вокруг своей оси. Используя энергию этого вращения, M87 питает джет частиц, выбрасываемый почти со скоростью света и простирающийся на огромные 5 тысяч световых лет.
Такие джеты генерируют и другие вращающиеся чёрные дыры. Они способствуют распространению энергии и материи по Вселенной и могут влиять на эволюцию целых галактик.
Команда астрофизиков из Университета имени Иоганна Вольфганга Гёте во главе с профессором Лучано Резцоллой разработала числовой код, названный Франкфуртским кодом для частиц в пространстве-времени чёрных дыр (FPIC), который описывает с высокой точностью процессы, преобразующие энергию вращения в джет частиц.
Результат: в дополнение к механизму Блэндфорда — Знаека, который до сих пор считался ответственным за извлечение энергии вращения из чёрной дыры с помощью сильных магнитных полей, учёные обнаружили, что в извлечении энергии участвует другой процесс — магнитное пересоединение.
В этом процессе магнитные силовые линии разрываются и перестраиваются, что приводит к преобразованию магнитной энергии в тепло, излучение и извержения плазмы.
Код FPIC моделировал эволюцию огромного количества заряженных частиц и экстремальных электромагнитных полей под влиянием сильной гравитации чёрной дыры.
Доктор Клаудио Меринголо, основной разработчик кода, объясняет: «Моделирование таких процессов имеет решающее значение для понимания сложной динамики релятивистской плазмы в искривлённом пространстве-времени вблизи компактных объектов, которые управляются взаимодействием экстремальных гравитационных и магнитных полей».
Исследования потребовали высокопроизводительных суперкомпьютерных симуляций, которые использовали миллионы часов работы центрального процессора на суперкомпьютере Франкфурта «Гёте» и в Штутгарте «Хоук». Эта большая вычислительная мощность была необходима для решения уравнений Максвелла и уравнений движения для электронов и позитронов в соответствии с теорией общей теории относительности Альберта Эйнштейна.
В экваториальной плоскости чёрной дыры расчёты исследователей выявили интенсивную активность магнитного пересоединения, что привело к образованию цепочки плазмоидов — конденсации плазмы в энергетических «пузырях», движущихся почти со скоростью света.
По словам учёных, этот процесс сопровождается генерацией частиц с отрицательной энергией, которая используется для питания экстремальных астрофизических явлений, таких как джеты и извержения плазмы.
«Наши результаты открывают захватывающую возможность того, что механизм Блэндфорда — Знаека — не единственный астрофизический процесс, способный извлекать энергию вращения из чёрной дыры», — говорит доктор Филиппо Камиллони, который также работал над проектом FPIC. «Но магнитное пересоединение также вносит свой вклад».
«С помощью нашей работы мы можем продемонстрировать, как энергия эффективно извлекается из вращающихся чёрных дыр и направляется в джеты», — говорит Резцолла. «Это позволяет нам объяснить экстремальную светимость активных ядер галактик, а также ускорение частиц почти до скорости света».
Он добавляет, что невероятно увлекательно и увлекательно лучше понимать, что происходит вблизи чёрной дыры, используя сложные числовые коды. «В то же время ещё более полезно иметь возможность объяснить результаты этих сложных симуляций с помощью строгой математической обработки, как мы это сделали в нашей работе».
Предоставлено Университетом имени Иоганна Вольфганга Гёте во Франкфурте-на-Майне.