Иллюстрация: A. Cruz-Osorio et al. / Nature Astronomy. Недавно выполнено полноценное математическое моделирование всех основных магнитогидродинамических процессов в центре аккреционного диска сверхмассивной черной дыры M87*, что подтвердило применимость теорий физики сплошных сред в условиях экстремально сильных гравитационных полей и релятивистских скоростей. Данный вывод был сделан посредством сопоставления ключевых результатов моделирования с наблюдательными данными, касающимися интенсивности излучения вещества, падающего в черную дыру, его спектра и диаметра релятивистского джета. Результаты исследования были опубликованы в журнале *Nature Astronomy*. Сверхмассивная черная дыра M87* расположена в ядре галактики М87 в созвездии Девы и удалена от Земли на расстояние около 53,5 миллиона световых лет. Она представляет собой одну из наиболее массивных известных черных дыр, обладая массой, приблизительно равной 6,5 миллиардам масс Солнца, что на порядок превышает массу черной дыры в центре Млечного Пути.
M87* является мощным источником электромагнитного излучения, особенно радиоволн, а также порождает релятивистский джет длиной около пяти тысяч световых лет. Черные дыры описывает общая теория относительности, а падающую на них материю — уравнения электродинамики сплошных сред и гидродинамики. Эти уравнения надежно проверены в условиях, близких к земным, но если вещество представляет собой аккреционный диск черной дыры, то оно находится в сверхсильных гравитационных полях и движется с релятивистской скоростью.
Чтобы проверить применимость этих теорий в таких экстремальных условиях, группа астрофизиков из семи стран под руководством Алехандро Круса-Осорио (Alejandro Cruz-Osorio) из Франкфуртского университета имени Иоганна Вольфганга Гёте смоделировала взаимодействие электронов с электромагнитным полем в аккреционном диске черной дыры и сравнила результаты с наблюдательными данными.
Моделирование проводилось для нескольких различных моментов вращения черной дыры. В отличие от ньютоновской гравитации, момент вращения системы в общей теории относительности не может принимать произвольно большие значения, и в безразмерных единицах максимально возможный момент, деленный на массу черной дыры, равен 1. В моделировании использовались значения момента, равные -0,9375, -0,5, 0, 0,5 и 0,9375. Отрицательный знак здесь означает, что черная дыра и аккреционный диск вращаются в противоположных направлениях.
Диаметр джета в зависимости от расстояния от черной дыры. Цветными линиями обозначены данные моделирования для разных значений спина черной дыры, черными точками с доверительными интервалами — данные наблюдений. A. Cruz-Osorio et al. / Nature Astronomy
В качестве подгоночных параметров физики использовали радиус, начиная с которого вещество из аккреционного диска инжектировалось в джет, и долю магнитной энергии, которая уходила на разогрев электронов. Эти параметры влияют на интенсивность и спектр электромагнитного излучения вещества.
Исследователи рассмотрели два возможных распределения электронов по энергиям: обычное термальное распределение и каппа-распределение. Оно отличается от термального для высокоэнергетичных электронов из-за их активного взаимодействия с магнитным полем в веществе, выводящего электроны из состояния термального равновесия.
Сравнение наблюдаемого размера джета черной дыры с результатами моделирования показало, что момент вращения черной дыры близок к 1 (p = 0,23). Наблюдаемый спектр излучения же совпал с предсказаниями численного счета при условии, что энергии электронов распределены по каппа-распределению.
Хорошее совпадение результатов моделирования с наблюдательными данными показало, что теории физики сплошных сред остаются применимыми в случае сильных гравитационных полей и релятивистских скоростей.
Спектр излучения аккреционного диска черной дыры. Сплошными и пунктирными линиями обозначены результаты моделирования для различных значений углового момента черной дыры и разных функций распределения электронов по энергиям в аккреционном диске. Черными точками с доверительными интервалами — данные наблюдений, проведенных в разные годы. A. Cruz-Osorio et al. / Nature Astronomy
В дальнейшем ученые рассчитывают еще больше приблизить моделирование к реальности. Для этого они планируют учесть радиационное охлаждение частиц и поляризационные эффекты. Кроме того, постоянно улучшаются технологии радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами, которая используется для наблюдения за черными дырами. Это должно сделать астрономические измерения параметров M87* более точными и открыть новые возможности для сравнения наблюдений и результатов моделирования.
Автор: Андрей Фельдман
Источник: https://nplus1.ru/
