Черные дыры – это не просто гравитационные ловушки, поглощающие все вокруг. Они представляют собой мощные источники энергии, способные перераспределять колоссальные объемы материи. Благодаря вращению и сильным магнитным полям черные дыры могут извлекать скрытую энергию, которая затем выбрасывается в космос в виде мощных потоков излучения и частиц. Исследования показали, что до 70% этой энергии может покидать черную дыру, оказывая влияние на окружающее пространство и участвуя в процессах, формирующих галактики.
Вблизи черных дыр нередко формируются плотные вращающиеся кольца газа и пыли, называемые аккреционными дисками. Эти структуры могут намагничиваться и становиться своеобразными энергетическими центрами, черпающими энергию из вращения черной дыры посредством механизма Блэндфорда-Знаека (BZ). Этот процесс позволяет черным дырам выделять энергию в виде мощных струй – джетов, но до сих пор остается неясным, что именно определяет, какая часть энергии будет направлена в джеты, а какая рассеется в виде тепла.
Для изучения этой загадки команда ученых из JILA во главе с Прасуном Дхангом провела сложные компьютерные симуляции совместно с профессорами астрофизики Университета Колорадо в Боулдере Митчем Бегелманом и Джейсоном Декстером. Их моделирование черных дыр с тонкими, интенсивно намагниченными аккреционными дисками позволило глубже понять физику этих экстремальных объектов. Выводы, опубликованные в The Astrophysical Journal, могут изменить представления о роли черных дыр в эволюции галактик.
«Мы давно знаем, что аккреционный газ способен извлекать спиновую энергию черной дыры, – объясняет Декстер. – Раньше предполагалось, что это критически важно для питания джетов. Однако детальные расчеты Прасуна показали, что объем извлекаемой энергии гораздо выше, чем считалось ранее. Эта энергия может либо излучаться в виде света, либо вызывать движение газа наружу. В любом случае, спиновая энергия черной дыры – это значительный источник мощности, который освещает область возле горизонта событий».
На протяжении десятилетий ученые исследовали взаимодействие черных дыр с окружающей материей, пытаясь выяснить, как именно они приводят в действие одни из самых мощных процессов во Вселенной. Ранее основное внимание уделялось объектам с низкой светимостью и почти сферическими аккреционными потоками, поскольку они были проще для моделирования и коррелировали со многими наблюдаемыми джетами.
Однако черные дыры с высокой светимостью и геометрически тонкими, плотными намагниченными дисками представляют собой более сложную проблему. Такие системы, согласно теории, нестабильны из-за дисбаланса процессов нагрева и охлаждения. Еще в ранних исследованиях, проведенных Митчем Бегелманом, высказывалось предположение, что сильные магнитные поля могут стабилизировать эти диски, но их точное влияние на извлечение энергии и образование джетов оставалось неизвестным. «Нам хотелось понять, как именно в таких средах извлекается энергия», – поясняет Дханг.
Для этого команда использовала трехмерные компьютерные модели, основанные на общей релятивистской магнитогидродинамике (GRMHD). Этот метод позволяет учитывать сложные взаимодействия между магнитными полями, потоками плазмы и искривленным пространством-временем, описанным общей теорией относительности Эйнштейна. Симуляции позволили исследователям наблюдать за взаимодействием магнитных полей с черными дырами, вращающимися с разной скоростью.
«Наша цель состояла в том, чтобы изучить, как магнитные потоки, проходящие через черную дыру, способствуют извлечению энергии и образованию джетов», – объясняет Дханг. Смоделировав намагниченные аккреционные диски, ученые попытались определить, сколько энергии черная дыра выделяет в свое окружение и какие параметры влияют на этот процесс.
Выяснилось, что количество высвобождаемой энергии напрямую зависит от скорости вращения черной дыры. При медленном вращении извлекаемая энергия составляет около 10%, но если черная дыра вращается быстро, этот показатель может достигать 70%. «Чем выше скорость вращения, тем больше энергии высвобождается», – подчеркивает Дханг.
Однако не вся извлеченная энергия уходит в джеты. Часть рассеивается в виде тепла или возвращается обратно в аккреционный диск. Ученые пока не знают, каким образом распределяется эта избыточная энергия, но в будущих исследованиях Дханг планирует изучить этот процесс, чтобы детальнее разобраться в механизме формирования джетов. Эти джеты играют ключевую роль в активных ядрах галактик, таких как квазары, и определяют эволюцию космических структур.
Дополнительные результаты симуляций показали, что сильные магнитные поля повышают светимость аккреционного диска, делая его ярче. Это объясняет, почему некоторые черные дыры кажутся значительно более светящимися, чем предсказывают теоретические модели. «Неиспользованная энергия вблизи черной дыры может нагревать аккреционный диск и способствовать образованию короны», – отмечает Дханг.
Корона – это область горячего газа, окружающая черную дыру и излучающая интенсивные рентгеновские лучи. Ее существование критически важно для объяснения наблюдаемых свойств черных дыр, но точный механизм ее формирования остается загадкой. Исследователи надеются, что дальнейшие симуляции помогут пролить свет на этот процесс.
Интересно, что еще в 1974 году писатель-фантаст Ларри Нивен задумался над необычным вопросом: можно ли использовать крошечную черную дыру в качестве оружия. Хотя ответ кажется очевидным – высокая гравитация и приливные силы должны привести к неминуемой гибели, – современные исследования показывают, что научный аспект этого вопроса гораздо сложнее, чем кажется на первый взгляд. Черные дыры не только поглощают материю, но и высвобождают колоссальные объемы энергии, формируя облик Вселенной на самых фундаментальных уровнях.