Струи расскажут о замедлении черных дыр

Разработана модель, которая позволяет проверить одну из гипотез, описывающую взаимодействие сверхмассивных черных дыр в центрах галактик с испускаемыми ими струями — джетами. Модель позволяет по измеренному магнитному полю джета предсказать, сколько вращательной энергии потеряет испускающая эту струю черная дыра. Работа астрофизика из МФТИ опубликована в журнале Frontiers in Astronomy and Space Sciences. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.

Сегодня астрофизики наблюдают сотни джетов — мощных струй, вырывающихся с релятивистскими (близкими к световой) скоростями от сверхмассивных черных дыр в ядрах активных галактик. Однако у ученых до сих пор остается много вопросов по поводу того, как они устроены. Вращающиеся черные дыры с аккреционным диском (движущимся вокруг центрального тела веществом), рождающие джеты, считаются самыми эффективными преобразователями энергии. КПД таких джетов порой превышает 100%, если рассчитать эффективность системы «джет + черная дыра + аккреционный диск» как отношение энергии, уносимой джетом, к энергии аккрецируемого (падающего) на черную дыру вещества. Здесь нет противоречия второму закону термодинамики, запрещающему существование вечных двигателей, так как в энергию джета дает вклад процесс замедления вращения черной дыры. То есть, испуская джет, черная дыра едва заметно тормозит свое вращение.

Сравнительно недавно у астрофизиков появился метод, с помощью которого можно определять магнитное поле в джетах активных ядер галактик. В своей работе астрофизик Елена Нохрина показала, что с помощью этого метода можно оценить наличие энергетического вклада от замедления вращения черной дыры в общую мощность джета. До сих пор формула, связывающая энергию вращения черной дыры и энергию джета, не была проверена на полученных из наблюдений данных. При этом важный параметр, определяющий темп потерь вращательной энергии черной дыры — скорость ее вращения — достоверно оценить по наблюдениям пока не удается.

Из-за отсутствия поверхности у черной дыры не может быть собственного магнитного поля — это следствие так называемой теоремы об отсутствии волос. Но вокруг нее создается магнитное поле, связанное с магнитным полем вещества аккреционного диска. Для оценки потерь черной дырой энергии вращения нужно выяснить величину потока магнитного поля, проходящего через горизонт черной дыры.

«Поскольку магнитный поток сохраняется, то, измеряя его величину в джете, мы получим поток магнитного поля вблизи черной дыры. Зная массу черной дыры, можно вычислить расстояние от оси ее вращения до горизонта событий (условной границы черной дыры), тогда становится возможным оценить разность потенциалов между осью вращения и границей черной дыры. Получить величину электрического тока вблизи черной дыры можно из условия экранирования электрического поля в окружающей плазме. Зная ток и разность потенциалов, можно оценить энергетические потери вращения черной дыры», — рассказывает Елена Нохрина.

Проделанные расчеты указывают на корреляцию величины полной мощности испускаемого черной дырой джета с потерями вращательной энергии черной дыры. Таким образом, переносимое джетом количество энергии зависит от потока магнитного поля и скорости вращения черной дыры. Следовательно, можно оценить вклад в мощность джета потерь вращательной энергии черной дырой. Также важным результатом стала возможность получить оценку потери вращательной энергии черной дырой, измеряя магнитное поле в джете, при этом не обладая информацией о скорости вращения черной дыры.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.