Астрофизики Принстона разгадают тайну струй черных дыр и галактических «световых мечей»

Команда астрофизиков из Принстонского университета смогла окончательно определить, что энергия близка к этой. Черная дыра M87* выдвигает наружу, а не внутрь, и это давняя дискуссия в этой области.

Единственное, что всем известно о черных дырах, это то, что все, что находится рядом с ними, засасывается в них.

едва Всё, оказывается.

Эллиот Катарт, астрофизик и Чарльз А. Молодой профессор астрономии Принстонского университета: «Хотя черные дыры известны как объекты, из которых ничто не может ускользнуть, одно из поразительных предсказаний теории относительности Эйнштейна заключается в том, что черные дыры действительно могут терять энергию». Батч из Фонда 1897 года: «Она может вращаться, и точно так же, как волчок со временем замедляется и теряет энергию при вращении, вращающаяся черная дыра также может терять энергию в своем окружении».

Эта модель получила широкое признание учёных с 1970-х годов. Они знали, что магнитные поля могут извлекать энергию из вращающихся черных дыр, но не знали, как это сделать.

Команда астрофизиков из Принстонского университета окончательно определила, что энергия вблизи горизонта событий черной дыры M87* устремляется наружу, а не внутрь. (M87 — это название галактики Мессье 87, поэтому черная дыра в ее центре называется M87*.) Кватерт сказал, что исследователи также разработали способ проверить предсказание о том, что черные дыры теряют энергию вращения, и доказать, что это энергия, которая производит «невероятно мощные потоки», которые мы видим и которые называем струями».

Анимация, показывающая, как магнитное поле, пересекающее горизонт событий черной дыры, скручивается по мере того, как черная дыра вращается быстрее. Черная дыра, вращающаяся быстрее, вращает магнитное поле быстрее, в результате чего черная дыра теряет больше энергии в свое окружение. Команда астрофизиков из Принстонского университета наблюдала свертывание линий магнитного поля на изображениях линейной поляризации черных дыр, полученных с помощью телескопа Event Horizon. Фото: Видео Джорджа Вонга, Институт перспективных исследований. Университет Принстон

Эти струи потока энергии «по сути похожи на миллионСветовой год«Длинные световые мечи могут быть в 10 раз длиннее, чем световые мечи джедаев», — говорит Александру Лобсаска, бывший научный сотрудник Принстонского университета. Млечный Путь галактика.

Результаты их работы недавно были опубликованы в тот Астрофизический журнал. Эндрю Челл, научный сотрудник в области астрофизики, является первым автором этой статьи. Он и соавтор Джордж Вонг являются членами Телескоп горизонта событий Они сыграли решающую роль в разработке моделей, используемых для объяснения черных дыр. Чейл, Вонг, Лобсаска и Кватарт — теоретики, связанные с Принстонская инициатива гравитации.

Команда выразила благодарность Шеллу за важное открытие, лежащее в основе новой статьи: направление, в котором поднимаются линии магнитного поля, указывает направление потока энергии. После этого «остальное встало на свои места», — сказал Кватарт.

Черная дыра M87* (звездный знак черной дыры в центре галактики M87) привлекла внимание всего мира, когда она была впервые обнаружена телескопом «Горизонт событий». С тех пор астрофизики из Принстонского университета обнаружили, что закручивающееся магнитное поле вокруг черной дыры определяет вихрь поляризации, наблюдаемый на изображениях черной дыры. В частности, направление потока энергии (от дырки к полю или наоборот) определяет, как наматывается поляризация. Измеряя направление поворота поляризации, можно сделать вывод, извлекает ли магнитное поле энергию спина из дыры или вводит в нее энергию спина. Источник изображения: Модель Эндрю Челла, Джорджа Вонга, Александру Лобсаски и Эллиота Кватарта, Princeton Gravity Initiative.

«Если бы вы взяли Землю, превратили ее всю в тротил и взрывали ее 1000 раз в секунду в течение миллионов и миллионов лет, именно такое количество энергии мы получили бы из M87», — сказал Вонг, научный сотрудник Гарвардского университета. . Принстонская инициатива гравитации и член Института перспективных исследований.

Ученым уже несколько десятилетий известно, что когда черная дыра начинает вращаться, она тянет за собой ткань пространства-времени. Линии магнитного поля, проходящие через черную дыру, притягиваются, замедляя вращение и высвобождая энергию.

«Наш новый, точный прогноз заключается в том, что всякий раз, когда вы смотрите на астрофизическую черную дыру, если к ней прикреплены линии магнитного поля, будет происходить передача энергии — действительно сумасшедшие объемы передачи энергии», — сказал Лобсаска, бывший научный сотрудник Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. . Принстоне и сейчас является доцентом кафедры физики и математики в Университете Вандербильта, за что получил награду. Премия «Новые рубежи физики» 2024 г. Премия Фонда за прорыв за исследования черных дыр.

Хотя поток энергии вблизи горизонта событий M87* направлен наружу, команда заявила, что поток энергии теоретически может быть направлен внутрь, в другую черную дыру. Они уверены в своей связи между потоком энергии и направлением силовых линий магнитного поля, а их предсказание о том, что поток энергии исходит из черной дыры, будет проверено запуском «пока теоретического»следующее поколение«Телескоп горизонта событий.

По словам Вонга, последние полтора года исследователи черных дыр по всему миру предлагали характеристики будущего инструмента. «Исследовательские работы, подобные нашей, могут сыграть решающую роль в определении того, что нам нужно. Я думаю, что сейчас очень интересное время».

Четыре исследователя подчеркнули в своей статье, что они не доказали убедительно, что вращение черной дыры «на самом деле приводит в действие внегалактические струи», хотя данные, безусловно, склоняются в этом направлении. Хотя уровни мощности, показанные их моделью, соответствуют потребностям самолета, они не могут исключить возможность того, что самолет будет приводиться в движение за счет вращения. плазма За пределами черной дыры. «Я думаю, весьма вероятно, что черная дыра является источником энергии для самолета, но мы не можем этого доказать», — сказал Лобсашка. «До настоящего времени.»

Ссылка: «Измерение поляризации черной дыры I. Характер извлечения электромагнитной энергии», Эндрю Челл, Александру Лобсаска и Джордж Н. Вонг, Эллиот Катарт, 14 ноября 2023 г., Астрофизический журнал.
дои: 10.3847/1538-4357/acf92d

Это исследование было поддержано Принстонской инициативой по гравитации, стипендией Тэплина, Национальным научным фондом (грант № 2307888) и премией исследователей Фонда Саймонса.