• 19.09.2021 00:03

    Магнитное пересоединение экспоненциально быстро лишило черную дыру магнитного поля

    Автор:beron

    Июл 31, 2021 ,
    Магнитное пересоединение экспоненциально быстро лишило черную дыру магнитного поля

    Магнитное пересоединение экспоненциально быстро лишило черную дыру магнитного поляМагнитное пересоединение экспоненциально быстро лишило черную дыру магнитного поляМагнитное пересоединение экспоненциально быстро лишило черную дыру магнитного поляМагнитное пересоединение экспоненциально быстро лишило черную дыру магнитного поляМагнитное пересоединение экспоненциально быстро лишило черную дыру магнитного поля

    Ashley Bransgrove et al. / Physical Review Letters, 2021

    С помощью компьютерного моделирования американские физики показали, что из-за магнитного пересоединения черная дыра Керра, окруженная сильно намагниченной плазмой, экспоненциально быстро теряет магнитное поле. Результаты методов кинетики релятивистской плазмы и резистивной магнитогидродинамики согласуются с теоремой об отсутствии волос, которая говорит, что черные дыры характеризуются только массой, угловым моментом и зарядом. Кроме того, потеря сильного магнитного поля становится причиной жесткого рентгеновского излучения из магнитосферы черной дыры, пишут ученые в Physical Review Letters.

    В общей теории относительности принято считать, что все черные дыры подчиняются теореме об отсутствии волос: если у двух черных дыр одинаковые масса, заряд и угловой момент, то их невозможно отличить друг от друга — вся остальная информация об их прародителях и поглощенной материи скрыта от наблюдателя за горизонтом событий.

    Черные дыры, рожденные в результате коллапса намагниченных звезд, рождаются с магнитным полем, пронизывающим горизонт событий. Также черная дыра может приобрести собственное магнитное поле в результате слияния с намагниченной нейтронной звездой. Из-за этого у черной дыры появляются волосы в виде силовых линий магнитного поля, но ненадолго — в вакууме любое безмассовое поле с целым спином быстро улетучивается, оставляя черную дыру «лысой».

    Однако намагниченные черные дыры редко находятся в вакууме: если черная дыра сформировалась в результате коллапса нейтронной звезды, вокруг нее будет неизбежно присутствовать плазма, либо плазма образуется в результате рождения электрон-позитронных пар возле горизонта событий. Из-за присутствия высокопроводящей плазмы условия в теореме об отсутствии волос радикально меняются — вместо вакуума вокруг черной дыры появляется материя, способная удерживать магнитное поле и не давать ему соскочить с горизонта событий. В таком случае единственный возможный сценарий потери магнитного поля — это перезамыкание магнитных линий, в результате которого силовые линии вытягиваются, разрываются и соединяются вновь в виде магнитных петель, содержащих плазму. Образовавшиеся плазмоиды либо падают за горизонт событий, либо улетают от черной дыры с релятивистскими скоростями. При этом энергия магнитного поля переходит в кинетическую энергию частиц и излучение. В 2011 году этот процесс наблюдали при моделировании намагниченной черной дыры в случае столкновительной плазмы (авторы ошибочно пренебрегли бесстолкновительной физикой плазмы) и в низком численном разрешении. Это привело к чрезмерно долгому угасанию магнитного поля и нарушению теоремы об отсутствии волос.

    Ученые под руководством Эшли Брансгроува (Ashley Bransgrove) из Колумбийского университета учли ошибки предыдущего исследования и использовали более точные численные моделирования кинетики частиц — GRPIC (general-relativistic particle-in-cell) и магнитогидродинамики — GRRMHD (general-relativistic resistive
    magnetohydrodynamics) для изучения процесса потери магнитного поля черной дырой Керра.

    В качестве начального состояния физики выбрали черную дыру с дипольным магнитным полем, предполагая, что она уже поглотила нейтронную звезду, окруженную плазмой, но еще не начала терять поле. Оба метода моделирования показали, что эволюция магнитосферы проходит в несколько стадий: сначала плазма в эргосфере вращается вокруг черной дыры, увлекает за собой ее магнитное поле и продуцирует полоидальное магнитное поле (линии которого проходят вдоль меридианов) по правилу буравчика. По мере раздувания полоидального магнитного поля силовые линии вытягиваются и сгущаются у экватора. В итоге картина силовых линий напоминает поля двух магнитных монополей (split-monopole field) — в северном полушарии линии направлены прямо от черной дыры, в южном — к черной дыре. Тороидальное магнитное поле (чьи линии направлены вдоль параллелей) также противоположно направлено в двух полушариях. Подобная конфигурация магнитных полей в соответствии с первым уравнением Максвелла рождает токовый лист в плоскости экватора, вдоль которого происходит магнитное пересоединение полей.

    Магнитное пересоединение экспоненциально быстро лишило черную дыру магнитного поляМагнитное пересоединение экспоненциально быстро лишило черную дыру магнитного поляМагнитное пересоединение экспоненциально быстро лишило черную дыру магнитного поляМагнитное пересоединение экспоненциально быстро лишило черную дыру магнитного поляМагнитное пересоединение экспоненциально быстро лишило черную дыру магнитного поля

    Слева направо: средняя радиальная скорость плазмы, средняя зенитная (θ) скорость, азимутальная (ϕ) составляющая магнитного поля в магнитосфере черной дыры. Зеленые линии обозначают линии полоидального магнитного поля

    Ashley Bransgrove et al. / Physical Review Letters, 2021

    По данным моделирования, впервые магнитное пересоединение появляется около так называемой поверхности застоя, снаружи которой плазма движется от черной дыры, а внутри — поглощается ею. Так, плазмоиды, рожденные снаружи поверхности застоя, улетают прочь вдоль токового листа со скоростью, близкой к скорости света, тогда как рожденные внутри медленно, со скоростью меньше десятой части скорости света, движутся к горизонту событий. Скорость магнитного пересоединения в модели GRPIC оказалась равной одной десятой скорости света, что превышает скорость пересоединения в GRRMHD в 10 раз. Из-за этого плазмоиды в GRPIC успевают вырасти больше, чем в GRRMHD, до того, как их отбрасывает с релятивистской скоростью. Такое расхождение вызвано тем, что в GRRMHD используется упрощенная модель диффузии частиц, а в GRPIC плазма смоделирована из первых принципов.

    Магнитное пересоединение экспоненциально быстро лишило черную дыру магнитного поляМагнитное пересоединение экспоненциально быстро лишило черную дыру магнитного поляМагнитное пересоединение экспоненциально быстро лишило черную дыру магнитного поляМагнитное пересоединение экспоненциально быстро лишило черную дыру магнитного поляМагнитное пересоединение экспоненциально быстро лишило черную дыру магнитного поля

    Магнитосфера черной дыры в модели GRPIC (вверху) и GRRMHD (внизу), цвет отображает намагниченность плазмы

    Ashley Bransgrove et al. / Physical Review Letters, 2021

    Также ученые провели магнитогидродинамическое моделирование в трехмерном режиме (GRRMHD2). В нем уже не наблюдалась осесимметричная картина пересоединения магнитного поля: трехмерные плазмоиды напоминают запутанные трубки конечной длины с более сложной топологией, чем у двумерных плазмоидов.

    Магнитное пересоединение экспоненциально быстро лишило черную дыру магнитного поляМагнитное пересоединение экспоненциально быстро лишило черную дыру магнитного поляМагнитное пересоединение экспоненциально быстро лишило черную дыру магнитного поляМагнитное пересоединение экспоненциально быстро лишило черную дыру магнитного поляМагнитное пересоединение экспоненциально быстро лишило черную дыру магнитного поля

    Слева: 3D-моделирование магнитосфер, зеленые трубки — линии магнитного поля, которые проникают через горизонт событий, карсные трубки — пересоединяющиеся линии магнитного поля. Справа: двумерный срез магнитосферы, цвет отображает намагниченность плазмы

    Ashley Bransgrove et al. / Physical Review Letters, 2021

    В обеих моделях магнитный поток через поверхность черной дыры уменьшается экспоненциально быстро вне зависимости от силы магнитного поля в начале эксперимента (в случае сильно намагниченной плазмы и малого ларморовского радиуса) — а это подтверждает выполнение теоремы об отсутствии волос. Также физики выяснили, что итоговый заряд черной дыры равен нулю, то есть в результате размагничивания черная дыра снова стала черной дырой Керра.

    Магнитное пересоединение экспоненциально быстро лишило черную дыру магнитного поляМагнитное пересоединение экспоненциально быстро лишило черную дыру магнитного поляМагнитное пересоединение экспоненциально быстро лишило черную дыру магнитного поляМагнитное пересоединение экспоненциально быстро лишило черную дыру магнитного поляМагнитное пересоединение экспоненциально быстро лишило черную дыру магнитного поля

    Зависимость магнитного потока на горизонте событий от времени для вакуума (спад по степенному закону), в моделях GRRMHD (медленный экспоненциальный спад) и GRPIC (быстрый экспоненциальный спад)

    Ashley Bransgrove et al. / Physical Review Letters, 2021

    Ученые обнаружили излучение при перезамыкании магнитных линий и посчитали общую диссипативную мощность, видимую при этом наблюдателем на бесконечности. Как и ожидалось, в магнитном поле выше миллиона гауссов и в пределе высокой намагниченности плазмы почти вся магнитная энергия переходит в излучение в жестком рентгеновском диапазоне, что со стороны может выглядеть как вспышка галактического магнетара. Авторы также отмечают, что в ходе «облысения» черной дыры может наблюдаться когерентное радиоизлучение, а также мазерное излучение, возникающее в результате столкновения гигантских плазмоидов с потоками плазмы.

    Ранее мы писали о том, как ученые доказали теорему об отсутствии волос с помощью гравитационных волн, а также обсудили статью «Мягкие волосы черной дыры» о поправках к классической теореме об отсутствии волос с Эмилем Ахмедовым в материале «Уйдем по направлению световой бесконечности».

    Елизавета Чистякова

    Источник: nplus1.ru



    голоса

    Рейтинг статьи




    Adblock test .

    Источник
    Автор: Физик Александр Пушной