Внутри черных дыр нашли скрытую энергию, которая помогает в формировании галактик

Черные дыры — это не просто космические «пылесосы», это мощные энергетические двигатели, способные перераспределять огромные объемы энергии. Они вращаются и извлекают энергию через мощные магнитные поля, подпитывая формирование энергетических струй. Расширенные симуляции показывают, что до 70% этой энергии может быть перенаправлено в космос, влияя на яркость черных дыр и галактическую динамику.

Черные дыры часто окружены закрученными дисками газа и пыли, известными как аккреционные диски. Когда эти диски становятся сильно намагниченными, они могут функционировать как галактические электростанции, черпая энергию из вращения черной дыры через процесс, называемый эффектом Блэндфорда-Знаека (BZ).

Хотя исследователи полагают, что BZ является основным механизмом, стоящим за этим извлечением энергии, у них остается много вопросов. Пока неясно, что определяет, сколько энергии направляется в мощные струи — потоки частиц и излучения, вырывающиеся из полюсов черной дыры — или вместо этого теряется в виде тепла.

Чтобы исследовать эти тайны, научный сотрудник JILA Прасун Дханг вместе с сотрудниками JILA и профессорами астрофизики Университета Колорадо в Боулдере Митчем Бегелманом и Джейсоном Декстером обратились к передовым компьютерным симуляциям. Моделируя черные дыры с тонкими, сильно намагниченными аккреционными дисками, они стремились раскрыть базовую физику, управляющую этими экстремальными системами.

Их выводы, опубликованные в The Astrophysical Journal, дают ключевое понимание динамики черных дыр и могут изменить понимание их влияния на формирование галактик.

«Давно известно, что падающий газ может извлекать спиновую энергию из черной дыры, — поясняет Декстер. — Обычно мы предполагаем, что это важно для питания струй. Проведя более точные измерения, Прасун показал, что извлекается гораздо больше энергии, чем было известно ранее. Эта энергия может излучаться в виде света или может вызывать течение газа наружу. В любом случае, извлеченная спиновая энергия может быть важным источником энергии для освещения областей вблизи горизонта событий черной дыры».

Десятилетиями ученые изучали черные дыры и их взаимодействие с окружающим газом и магнитными полями, чтобы понять, как они питают некоторые из самых энергичных явлений во Вселенной. Ранние исследования были сосредоточены в основном на их источниках с низкой светимостью и квазисферическим аккреционным потоком, поскольку эти системы сравнительно легче моделировать и выравнивать со многими наблюдаемыми струями.

Однако, черные дыры высокой светимости с геометрически более тонкими, более плотными намагниченными дисками представляют собой уникальную проблему. Эти системы теоретически нестабильны из-за дисбаланса нагрева и охлаждения.

Предыдущие исследования, в том числе проведенные Митчем Бегельманом, предполагали, что сильные магнитные поля могут стабилизировать эти тонкие диски, но детали их роли в извлечении энергии и формировании струй в таких условиях оставались неясными. «Мы хотели понять, как происходит извлечение энергии в этих сильно намагниченных средах», — объясняет Дханг.

Команда использовала передовые компьютерные симуляции для исследования этого явления. В частности, особый тип модели, называемый трехмерной общей релятивистской магнитогидродинамической моделью (GRMHD). Она работает как вычислительная структура, которая моделирует поведение намагниченной плазмы в искривленном пространстве-времени вокруг черных дыр, объединяя физику магнитных полей, гидродинамику и общую теорию относительности Эйнштейна для захвата сложных взаимодействий в этих экстремальных средах.

Используя структуру, исследователи наблюдали, как магнитные поля взаимодействуют с черными дырами, вращающимися с разными скоростями. «Цель состояла в том, чтобы увидеть, как магнитный поток, пронизывающий черную дыру, влияет на извлечение энергии и приводит ли это к образованию джетов», — говорит Дханг.

Моделирование моделировало тонкие, намагниченные аккреционные диски и исследовало, сколько энергии черная дыра передала в свое окружение. Изучая эффективность этого извлечения энергии, команда идентифицировала различные спины черной дыры и магнитные конфигурации с джетами.

В результате моделирования команда обнаружила, что в зависимости от скорости вращения черной дыры от 10% до 70% энергии, извлекаемой в процессе BZ, направлялось в струи. «Чем выше скорость вращения, тем больше энергии может высвободить черная дыра», — отмечает Дханг.

Однако не вся энергия уходила в струи. Часть поглощалась обратно в диск или рассеивалась в виде тепла. Хотя моделирование не смогло определить, куда уходит избыточная энергия, Дханг планирует изучить этот вопрос более подробно, чтобы лучше понять, как образуются джеты, поскольку джеты часто встречаются в активных системах галактических ядер, таких как квазары.

Из своих моделей исследователи обнаружили, что сильные магнитные поля увеличили эффективность излучения диска, сделав его ярче. Эта дополнительная светимость может объяснить, почему некоторые черные дыры кажутся гораздо более яркими, чем предсказывают теоретические модели.

«Неиспользованная энергия вблизи черной дыры может нагревать диск и способствовать образованию короны», — отмечает Дханг. Корона — область горячего газа, окружающая черную дыру и испускающая интенсивное рентгеновское излучение, — имеет решающее значение для формирования света, который мы наблюдаем в этих системах, но точный процесс ее формирования остается неясным. Исследователи надеются использовать дальнейшее моделирование, чтобы понять динамику формирования короны черной дыры.

В 1974 году писатель-фантаст Ларри Нивен написал детективный роман с интересной предпосылкой: можно ли убить человека с помощью крошечной черной дыры. Большинство людей будут, вероятно, могут утверждать, что да. Сильная гравитация, приливные силы и горизонт событий наверняка приведут к неприятному концу. Но исследование показало, что научный ответ немного интереснее.