Колоссальная вспышка первое доказательство, что энергия может исходить из черных дыр

Популярная концепция гласит, что из черной дыры никуда не деться. Как только что-то проходит за горизонт событий — так называемую точку невозврата — оно остается там навсегда, связанное гравитационным полем, от которого не может ускользнуть даже свет.

Но вращающаяся черная дыра генерирует огромное количество энергии, которую теоретически можно извлечь из эргосферы, области, которая находится за пределами горизонта событий. Это было доказано как теоретически, так и экспериментально — и теперь группа астрофизиков нашла то, что, по их мнению, является наблюдательным свидетельством этого.

Самый мощный из когда-либо обнаруженных нами гамма-всплесков — GRB 190114C, колоссальная вспышка с тактовой частотой около триллиона электрон-вольт (1 ТэВ) на расстоянии 4,5 миллиарда световых лет от нас.

«Гамма-всплески, самые мощные переходные объекты в небе, выделяют энергию до нескольких 1054 эрг всего за несколько секунд», — сказал астрофизик Ремо Руффини из Международного центра релятивистской астрофизической сети (ICRANet) со штаб-квартирой в Италии.

«Их светимость в гамма-лучах во временном интервале события такая же большая, как и светимость всех звезд наблюдаемой Вселенной! Неизвестный механизм — черные дыры звездной массы».

В прошлом году Руффини и его коллеги предложили решение для этого механизма — процесс, который они назвали бинарной гиперновой.

Он начинается с тесной двойной системы, состоящей из углеродно-кислородной звезды в конце ее жизни и нейтронной звезды. Когда углеродно-кислородная звезда становится сверхновой, выброшенный материал может быть быстро поглощен нейтронной звездой-компаньоном. Таким образом, этот спутник проходит точку критической массы и коллапсирует в черную дыру, которая запускает всплеск гамма-лучей, а также струи вещества со своих полюсов почти со скоростью света.

(Ядро углеродно-кислородной звезды коллапсирует во вторую нейтронную звезду, в результате чего образуется двойная черная дыра — нейтронная звезда.)

Теперь, в новой статье, Руффини и его коллеги во главе с Рахимом Моради из ICRANet описали механизм, который может запустить такой высокоэнергетический гамма-всплеск: ускорение частиц вдоль силовых линий магнитного поля, унаследованных от нейтронной звезды, родительской черной дыры. Это магнитное поле извлекает вращательную энергию из эргосферы черной дыры.

«Новый двигатель, представленный в новой публикации, — пояснил Руффини, — выполняет свою работу посредством чисто релятивистского гравито — электродинамического процесса: вращающаяся черная дыра, взаимодействуя с окружающим магнитным полем, создает электрическое поле, которое ускоряет окружающие электроны до сверхвысоких энергий, ведущих к излучению высоких энергий и космическим лучам сверхвысоких энергий».

Релятивистские или близкие к световой скорости сруи не редкость в активных ядрах галактик, сверхмассивных черных дырах-монстрах в ядрах галактик. Считается, что эти струи образуются в результате процесса аккреции, который происходит следующим образом.

Огромный диск материи вращается вокруг активной черной дыры, падая в нее с внутреннего края, но не весь этот материал падает на черную дыру. Часть его, как полагают астрономы, направляется и ускоряется вдоль силовых линий магнитного поля по внешней стороне черной дыры к полюсам, откуда они запускаются в космос в виде коллимированных струй.

Мы знаем, что черные дыры и нейтронные звезды могут иметь мощные магнитные поля, и данные свидетельствуют о том, что они могут действовать как синхротрон (тип ускорителя частиц). Имеющиеся данные также предполагают, что синхротрон магнитного поля играет роль в запуске гамма — всплеска во время образования черной дыры.

Изучая GRB 190114C, Моради и его команда обнаружили аналогичный механизм, но вместо непрерывного процесса излучения он дискретный, повторяющийся снова и снова, каждый раз высвобождая квант энергии черной дыры, производя наблюдаемое гамма-излучение, следующее за гамма-всплеском.

Основываясь на наблюдениях за GRB 190114C, команде удалось восстановить последовательность событий.

Углеродно-кислородная звезда становится сверхновой, а ее ядро ​​коллапсирует в нейтронную звезду; часть этого выброшенного материала падает обратно на новообразованную нейтронную звезду, производя рентгеновское свечение — как это наблюдалось телескопом Свифта.

Часть материи также падает на спутника нейтронной звезды, формируя черную дыру — этот процесс занял всего 1,99 секунды. Затем материал продолжает падать на вновь образовавшуюся черную дыру, производя гамма-всплеск длительностью от 1,99 до 3,99 секунды.

Наконец, большее количество материи, падающеей на черную дыру, приводит к образованию струй и гамма-излучения в диапазоне гигаэлектронвольт за счет извлечения вращательной энергии.

Другие ученые могут не согласиться с выводами; В прошлом году группа ученых обнаружила, что гамма-всплеск был результатом, например, коллапсирующего магнитного поля. Это может не относиться даже ко всем гамма-всплескам. Тем не менее, все части, кажется, очень точно соответствуют наблюдениям GRB 190114C.

Исследование опубликовано в журнале Astronomy & Astrophysics.

Источники: Фото: (ESA/Hubble, M. Kornmesser)