|
Моделирование черный дыры в галактике M87
|
|
|
|
Международная команда во главе с доктором Юань Фэном из Шанхайской астрономической обсерватории Академии наук Китая исследовала достоверность двух основных моделей струй черных дыр, рассчитав излучение, предсказанное этими моделями, и сравнив его с наблюдениями струи M87, и обнаружила, что "извлечение энергии вращения черной дыры"модель точно предсказала наблюдаемые струи, в то время как модель "извлечения энергии вращения аккреционного диска" изо всех сил пыталась объяснить результаты наблюдений. Излучающие электроны ускоряются за счет магнитного пересоединения в струях черных дыр, которое, вероятно, вызвано "магнитными извержениями" в аккреционном диске. Исследование было опубликовано в Science Advances. Черные дыры - необычайно своеобразные небесные тела во Вселенной, обладающие чрезвычайно мощной гравитационной силой, которую даже свет не может преодолеть в пределах их радиуса, известного как горизонт событий.
|
|
|
|
Однако более века назад наблюдения показали, что сразу за горизонтом событий черной дыры, на очень близком расстоянии, черная дыра может испускать мощные потоки вещества и энергии со скоростями, приближающимися к скорости света, известные как струи. На снимках, сделанных телескопами, изображены эти струи, устремляющиеся прямо наружу, очень похожие на лазерный луч, распространяющиеся на огромные расстояния, причем длина некоторых струй даже превосходит масштаб галактик. Вопрос о том, как образуются эти загадочные струи, изучался более ста лет многими учеными, включая нобелевского лауреата сэра Роджера Пенроуза. В настоящее время в этой области исследований существуют в основном две модели. Один из них предполагает извлечение энергии вращения черной дыры из крупномасштабных магнитных полей, известных как модель "извлечения энергии вращения черной дыры". Другая модель также основана на крупномасштабных магнитных полях, но, в отличие от первой, она включает извлечение энергии вращения аккреционного диска, называемой моделью "извлечение энергии вращения аккреционного диска".
|
|
|
Астрономы пытаются рассмотреть только источник энергии для струй. Могут ли струи, создаваемые этими двумя моделями, соответствовать результатам наблюдений относительно морфологии, ширины, поля скоростей и поляризации струй? Какая из двух моделей механизма образования этих струй верна? Команда, возглавляемая доктором Юань Фэном, ответила на эти два вопроса. В качестве примера команда использовала струи из сверхмассивной черной дыры в центре галактики M87. Эта сверхмассивная черная дыра известна как "звезда" первого в истории изображения черной дыры, полученного телескопом Event Horizon Telescope (EHT). Команда использовала крупномасштабные методы численного моделирования для решения уравнений общей релятивистской магнитогидродинамики и получила аккреционный поток вокруг черной дыры и струи, создаваемые двумя упомянутыми выше моделями. Для расчета излучения от струй и сравнения его с наблюдениями решающее значение имеют энергетический спектр и пространственное распределение излучающих электронов. Команда выдвинула гипотезу, что ускорение электронов происходило благодаря механизму "магнитного пересоединения" в струях.
|
|
|
|
В нем рассматривались физические механизмы магнитного пересоединения, ускоряющие электроны, и объединялись результаты исследований ускорения частиц с использованием кинетической теории для решения уравнения стационарного распределения энергии электронов. Были получены энергетические спектры и численные плотности электронов в различных областях струй. Объединив их с результатами численного моделирования аккреции, включая напряженность магнитного поля, температуру и скорость газовой плазмы, команда получила различные предсказанные результаты наблюдений путем расчета переноса излучения в рамках общей теории относительности, которые можно было сравнить с реальными наблюдениями. Результаты показали, что морфология струй, предсказанная моделью "извлечения энергии вращения черной дыры", очень хорошо соответствовала наблюдаемой морфологии струй, и другие предсказания этой модели, такие как "осветление краев" струй, ширина струи, длина и поле скоростей, также соответствовали наблюдениям очень хорошо.
|
|
|
|
Напротив, предсказания модели "извлечения энергии вращения аккреционного диска" не соответствовали наблюдениям. Кроме того, команда проанализировала физический механизм магнитного пересоединения и обнаружила, что этот механизм обусловлен "магнитными извержениями", генерируемыми магнитными полями в аккреционном диске черной дыры M87. Эти извержения могут вызывать сильные возмущения магнитного поля, которые могут распространяться на большие расстояния, приводя к повторному магнитному соединению в струях. Эта работа устраняет разрыв между динамической моделью образования струй и различными наблюдаемыми свойствами струй, предоставляя первое доказательство того, что эта хорошо известная динамическая модель решает энергетические проблемы струй и объясняет другие различные результаты наблюдений.
|
|
|
|
Источник
|
