100 лет загадки, миллионы часов вычислений, новый механизм энергии. Учёные выяснили, как чёрные дыры создают струи частиц длиной в 5000 световых лет

За сто лет до того, как коллаборация Event Horizon Telescope представила первое изображение чёрной дыры в центре галактики M87, астроном Хебер Кёртис уже заметил из её ядра странный выброс вещества. Сегодня мы знаем, что это — струя, исходящая от сверхмассивной чёрной дыры M87*. Подобные джеты излучают и другие чёрные дыры. Теперь теоретики из Гёттингенского университета разработали математическую модель, которая с высокой точностью описывает, как вращающиеся чёрные дыры превращают часть своей энергии в такие сверхбыстрые потоки частиц.

Результаты опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters.

На протяжении почти двух веков происхождение «туманности без звёзд» под номером 87 из каталога Шарля Мессье оставалось загадкой. Лишь позже стало ясно, что это вовсе не туманность, а гигантская галактика M87. Оставалось непонятным и происхождение яркого луча, который Кёртис открыл в 1918 году.

В центре M87 находится чёрная дыра M87* с массой около 6,5 миллиардов Солнц. Она быстро вращается и за счёт этого вращения выбрасывает мощную струю частиц, пролетающих почти со скоростью света на расстояние до 5 тысяч световых лет. Подобные джеты играют важную роль во Вселенной — они рассеивают энергию и вещество, влияя на эволюцию целых галактик.

Команда под руководством профессора Лучано Реццоллы создала численный код FPIC (Frankfurt Particle-in-Cell code for black hole spacetimes), который описывает, как именно вращательная энергия чёрной дыры превращается в энергию струи.

Учёные обнаружили, что кроме известного механизма Бландфорда — Знайека, который связывает извлечение энергии с действием мощных магнитных полей, существует и другой процесс — магнитное пересоединение. В нём линии магнитного поля разрываются и соединяются вновь, высвобождая энергию в виде тепла, излучения и плазменных выбросов.

FPIC позволяет моделировать поведение огромного числа заряженных частиц и экстремальных электромагнитных полей в условиях сильнейшей гравитации чёрной дыры. По словам одного из авторов, Клаудио Меринголо, такие симуляции необходимы, чтобы понять динамику релятивистской плазмы в искривлённом пространстве-времени, где взаимодействуют предельно мощные магнитные и гравитационные силы.

Исследование потребовало миллионов часов вычислений на суперкомпьютерах Goethe во Франкфурте и Hawk в Штутгарте. Такая вычислительная мощность была нужна, чтобы решить уравнения Максвелла и уравнения движения электронов и позитронов в рамках общей теории относительности Эйнштейна.

Расчёты показали, что в экваториальной области чёрной дыры происходят интенсивные процессы пересоединения магнитных полей, из-за которых формируется цепочка плазмоидов — сгустков плазмы, движущихся почти со скоростью света. Учёные считают, что при этом рождаются частицы с отрицательной энергией, которые и подпитывают экстремальные явления вроде джетов и выбросов плазмы.

«Наши результаты показывают, что механизм Бландфорда — Знайека не единственный способ извлечения энергии из вращающейся чёрной дыры», — отмечает Филиппо Камиллони, участвовавший в проекте. — «Магнитное пересоединение тоже вносит существенный вклад».

Профессор Реццолла добавляет, что эта работа помогает понять, как энергия эффективно извлекается из вращающихся чёрных дыр и направляется в струи. Это, в свою очередь, объясняет яркость активных ядер галактик и ускорение частиц до околосветовых скоростей.

«Потрясающе наблюдать, как сложные численные модели позволяют заглянуть в физику чёрных дыр, — говорит он. — Но ещё более увлекательно, когда удаётся объяснить результаты таких симуляций строгими математическими методами».