Чистый хаос магнитных полей может объяснить интенсивный блеск черных дыр

Есть некоторая ирония в том, что самые темные объекты во Вселенной — черные дыры — могут быть ответственны за часть самого яркого света Вселенной. Моделирование магнитных полей, окружающих черные дыры и нейтронные звезды, теперь дало новое понимание их удивительного блеска.

Астрофизики из Колумбийского университета в Нью-Йорке разработали модель, которая показывает, как электроны, совершающие космические «прогулки на американских горках» через магнитную турбулентность, могут генерировать удивительно энергичные волны излучения.

Применительно к вихревому хаосу, окружающему плотные объекты, такие как черные дыры, это помогает объяснить, почему мы видим, что они светятся с такой интенсивностью, которая пока не поддается объяснению.

Нет никаких аргументов в пользу того, что некоторая часть этой светимости происходит от частиц, попадающих в нагретый до безумия диск из газа и пыли окружающий черные дыры.

Заряженные частицы в этом вихревом мусоре могут также генерировать некоторые серьезные магнитные поля, направляя материал в струи, которые выбрасывают частицы в космос со скоростями, которые заставляют их светиться жестким электромагнитным излучением.

Но среди спектра фотонов, излучаемых вокруг черных дыр и нейтронных звезд, есть волны, которые трудно объяснить. Они слишком энергичны, чтобы быть тепловыми, и не происходят из зон, куда направляется газ и пыль.

Это не значит, что нет других способов, которыми материя не может быть ускорена до тех скоростей, которые излучают нужный уровень электромагнитного излучения.

«Турбулентность и магнитное переподключение — процесс, в котором линии магнитного поля разрываются и быстро воссоединяются — сливаются воедино, чтобы ускорить частицы до скоростей, приближающихся к скорости света», — говорит один из двух исследователей, Лука Комиссо.

Если вы думаете об аккуратных рядах линий, которые появляются, когда вы разбрасываете железные опилки вокруг постоянного магнита, магнитные поля подобны полосам для заряженных частиц.

Перемещайте эти магниты непредсказуемым образом, и эти электронные пути будут разъединяться, и соединяться друг с другом, превращая неторопливое перемещение в сверхбыстрый аттракцион.

Хаос турбулентных магнитных полей вокруг нашей собственной планеты помог объяснить кучу астрофизических явлений в прошлом, например, куда движется энергия высокоскоростных электронов, когда они сталкиваются с нашей магнитосферой.

«Именно благодаря электрическому полю, вызванному переподключением и турбулентностью, частицы ускоряются до самых экстремальных энергий, намного выше, чем в самых мощных ускорителях на Земле, таких как Большой Адронный Коллайдер в ЦЕРНе», — говорит Комиссо.

«Мы использовали самый точный метод — метод частиц в ячейке — для расчета траекторий сотен миллиардов заряженных частиц, которые самосогласованно определяют электромагнитные поля», — говорит коллега Комиссо Лоренцо Сирони.

«И именно это электромагнитное поле говорит им, как двигаться».

Результаты показали, что электроны, бьющиеся взад и вперед через беспокойные магнитные поля, потенциально могут генерировать энергии, необходимые для излучения, намного превышающее то, что нагрев может генерировать в одиночку.

Большая часть этой дополнительной энергии поступает от случайных движений на чрезвычайно высоких скоростях. По мере того как заряженные частицы меняют направление, они излучают мощные волны электромагнитного излучения.

«Действительно излучение вокруг черных дыр и нейтронных звезд, которые заставляют их сиять — явление, которое мы можем наблюдать на Земле», — говорит Сирони.

Это исследование было опубликовано в Astrophysical Journal.

Источники: Фото: Comisso & Sironi, The Astrophysical Journal, 2019