The Astrophysical Journal: Найдены ответы на вопросы о джетах из черных дыр

Все знают о черных дырах одно: в них засасывается абсолютно все, что находится поблизости. Как выяснилось, почти все.

Несмотря на то, что черные дыры определяются как объекты, из которых ничто не может вырваться, одним из удивительных предсказаний теории относительности Эйнштейна является то, что черные дыры могут терять энергию, — говорит астрофизик Элиот Кватер, профессор астрономии Принстона Чарльз А. Янг из Фонда класса 1897 года.

Они могут вращаться, и точно так же, как вращающаяся верхушка со временем замедляется и теряет энергию при вращении, вращающаяся черная дыра также может терять энергию в окружающее пространство.

Ученые широко приняли эту модель с 1970-х годов. Они знали, что магнитные поля, вероятно, извлекают энергию из вращающихся черных дыр, но не знали, каким образом.

Теперь группа астрофизиков из Принстона окончательно установила, что энергия вблизи горизонта событий черной дыры M87* выталкивается наружу, а не внутрь. (M87 — это название галактики Messier 87, поэтому черная дыра в ее центре обозначается как M87*). По словам Кватаэрта, исследователи также создали способ проверить предсказание о том, что черные дыры теряют вращательную энергию, и установить, что именно эта энергия порождает «невероятно мощные потоки, которые мы видим и которые мы называем джетами».

По словам бывшего постдока Принстонского университета Александра Лупсаски, эти струи «похожи на световые мечи джедаев длиной в миллионы световых лет и могут простираться в 10 раз дальше, чем галактика Млечный Путь».

Результаты их работы опубликованы в текущем номере журнала The Astrophysical Journal. Эндрю Чейл, младший научный сотрудник отдела астрофизики, является первым автором статьи. Он и соавтор Джордж Вонг являются членами команды телескопа Event Horizon Telescope и сыграли важнейшую роль в разработке моделей, которые используются для интерпретации черных дыр. Чейл, Вонг, Лупсаска и Куатарт — теоретики, связанные с Принстонской гравитационной инициативой.

Команда поставила Чаэлю в заслугу важнейшую идею, лежащую в основе новой работы: направление, в котором спирали магнитного поля закручиваются, показывает направление потока энергии. Исходя из этого, «все остальное встало на свои места», сказал Кватаэрт.

Если взять Землю, превратить ее в тротил и взрывать 1000 раз в секунду в течение миллионов и миллионов лет, то именно такое количество энергии мы получаем из M87, — сказал Вонг, младший научный сотрудник Принстонской гравитационной инициативы и член Института перспективных исследований.

Ученые уже несколько десятилетий знают, что когда черная дыра начинает вращаться, она увлекает за собой ткань пространства-времени. Линии магнитного поля, пронизывающие черную дыру, увлекают ее за собой, и это замедляет вращение, что приводит к выделению энергии.

Наше новое острое предсказание заключается в том, что когда бы вы ни смотрели на астрофизическую черную дыру, если к ней прикреплены линии магнитного поля, то будет происходить передача энергии — поистине безумное количество энергии, — сказал Лупсаска, бывший младший научный сотрудник Принстонского университета, а ныне доцент физики и математики Университета Вандербильта, который за свои исследования черных дыр получил премию «Новые горизонты в физике» от фонда Breakthrough Prize в 2024 году.

В то время как поток энергии вблизи горизонта событий M87* направляется наружу, команда говорит, что в другой черной дыре поток энергии теоретически может направляться внутрь. Они уверены в своей связи между потоком энергии и направлением линий магнитного поля, а их предсказание о том, что поток энергии исходит из черной дыры, будет проверено с запуском пока еще теоретического телескопа «следующего поколения» Event Horizon Telescope.

По словам Вонга, в течение последних полутора лет исследователи черных дыр во всем мире предлагают технические характеристики будущего прибора.

Такие работы, как наша, могут сыграть решающую роль в определении того, что нам нужно. Я думаю, что это невероятно захватывающее время.

В своей работе четверо исследователей подчеркивают, что они не доказали окончательно, что спин черной дыры «действительно приводит в движение внегалактическую струю», хотя доказательства, безусловно, склоняются в эту сторону. Несмотря на то, что уровни энергии, которые показывает их модель, соизмеримы с теми, которые необходимы джету, они не исключают возможности того, что джет может питаться вращающейся плазмой за пределами черной дыры.

Я думаю, что очень вероятно, что черная дыра питает джет, но пока мы не можем этого доказать, — заключает Лупсаска.

14.11.2023