Астрофізики Прінстона розгадують таємницю струменів чорних дір і галактичних «світлових мечів»

Команда астрофізиків з Прінстонського університету змогла остаточно визначити, що енергія близька до Чорна діра M87* просувається назовні, а не всередину, що є давньою дискусією в галузі.

Єдина річ, яку всі знають про чорні діри, це те, що все, що знаходиться поблизу них, засмоктується в них.

ледве Все, виявляється.

Елліот Куатерт, астрофізик і Чарльз А. Молодий професор астрономії Прінстонського університету: «Хоча чорні діри відомі як об’єкти, з яких ніщо не може втекти, одне з приголомшливих передбачень теорії відносності Ейнштейна полягає в тому, що чорні діри насправді можуть втрачати енергію». Пакет від Фонду 1897. «Вона може обертатися, і подібно до того, як дзига сповільнюється з часом і втрачає енергію під час обертання, обертова чорна діра також може втрачати енергію для свого оточення».

Ця модель була широко прийнята вченими з 1970-х років. Вони знали, що магнітні поля можуть видобувати енергію з обертових чорних дір, але не знали, як.

Команда астрофізиків з Прінстонського університету остаточно визначила, що енергія біля горизонту подій чорної діри M87* спрямовується назовні, а не всередину. (M87 — це назва галактики, Мессьє 87, тому чорна діра в її центрі називається M87*.) Кватерт сказав, що дослідники також винайшли спосіб перевірити передбачення, що чорні діри втрачають обертальну енергію, і довести, що це так. енергії, яка створює «неймовірно потужні потоки», які ми бачимо і називаємо струменями».

Анімація, яка показує, як магнітне поле, що перетинає горизонт подій чорної діри, спотворюється, оскільки чорна діра обертається швидше. Чорна діра, яка обертається швидше, обертає магнітне поле швидше, через що чорна діра втрачає більше енергії для свого оточення. Команда астрофізиків з Прінстонського університету спостерігала обертання ліній магнітного поля на зображеннях лінійної поляризації чорних дір, отриманих телескопом Event Horizon. Авторство: відео Джорджа Вонга, Інститут перспективних досліджень Прінстонський університет

Ці струмені потоку енергії «в основному схожі на мільйон-Світловий рік«Довгі світлові мечі можуть бути в 10 разів довшими, ніж світловий меч джедаїв», — каже Александру Лобсаска, колишній докторант Прінстонського університету. Чумацький шлях галактика.

Результати їх роботи нещодавно були опубліковані в в Астрофізичний журнал. Ендрю Челл, науковий співробітник з астрофізики, є першим автором цієї статті. Він і співавтор Джордж Вонг є членами Телескоп горизонт подій Вони відіграли вирішальну роль у розробці моделей, що використовуються для пояснення чорних дір. Чейл, Вонг, Лобсаска та Кватерт – усі теоретики, пов’язані з Принстонська гравітаційна ініціатива.

Команда приписала Шеллу важливе розуміння, яке лежить в основі нової статті: напрямок, у якому піднімаються лінії магнітного поля, показує напрямок потоку енергії. З цього моменту «решта стала на свої місця», — сказав Кватерт.

Чорна діра M87* (знак чорної діри в центрі галактики M87) привернула увагу світу, коли її вперше виявив телескоп Event Horizon. Відтоді астрофізики з Прінстонського університету виявили, що звивисте магнітне поле навколо чорної діри визначає поляризаційний вихор, який спостерігається на зображеннях чорної діри. Зокрема, напрямок потоку енергії (від дірки до поля чи навпаки) визначає, як загортається поляризація. Вимірюючи напрямок, у якому закручується поляризація, можна зробити висновок, чи магнітне поле витягує спінову енергію з дірки чи вводить в неї спінову енергію. Джерело зображення: модель Ендрю Челла, Джорджа Вонга, Александру Лобсаска та Елліота Куатерта, Princeton Gravity Initiative

«Якби ви взяли Землю, перетворили її всю на тротил і підірвали її 1000 разів на секунду протягом мільйонів і мільйонів років, це кількість енергії, яку ми б отримали від M87», — сказав Вонг, науковий співробітник Гарвардського університету. . Princeton Gravity Initiative і член Інституту перспективних досліджень.

Вчені десятиліттями знали, що коли чорна діра починає обертатися, вона тягне за собою тканину простору-часу. Лінії магнітного поля, що проходять через чорну діру, розтягуються, сповільнюючи обертання, вивільняючи енергію.

«Наше нове чітке передбачення полягає в тому, що щоразу, коли ви дивитеся на астрофізичну чорну діру, якщо до неї прикріплені магнітні силові лінії, відбуватиметься передача енергії — справді божевільна кількість передачі енергії», — сказав Лобсаска, колишній науковий співробітник UCLA. . Прінстон і зараз є доцентом фізики та математики в Університеті Вандербільта, за що він отримав нагороду Премія «Нові рубежі у фізиці» 2024 року Від премії Foundation Breakthrough Award за його дослідження чорних дір.

Хоча потік енергії біля горизонту подій M87* спрямований назовні, команда каже, що теоретично потік енергії може бути спрямований всередину в іншу чорну діру. Вони впевнені у своєму зв’язку між потоком енергії та напрямком силових ліній магнітного поля, а їхні прогнози про те, що потік енергії походить від чорної діри, будуть перевірені з запуском «все ще теоретичного»наступне покоління«Телескоп горизонту подій.

Протягом останніх півтора років дослідники чорних дір по всьому світу пропонували специфікації для майбутнього інструменту, сказав Вонг. «Дослідницькі статті, подібні до нашої, можуть зіграти вирішальну роль у визначенні того, що нам потрібно. Я вважаю, що зараз дуже хвилюючий час».

Чотири дослідники підкреслили у своїй статті, що вони не довели переконливо, що обертання чорної діри «фактично приводить в дію позагалактичні струмені», хоча докази, безумовно, схиляються в цьому напрямку. Хоча рівні потужності, показані їхньою моделлю, відповідають потребам літака, вони не можуть виключити можливість того, що літальний апарат працює від обертання. плазма Поза чорною дірою. «Я думаю, що дуже ймовірно, що чорна діра є джерелом енергії для літака, але ми не можемо цього довести», — сказав Лобсашка. — Дотепер.

Довідка: «Вимірювання поляризації чорної діри I. Сигнатура вилучення електромагнітної енергії» Ендрю Челла, Александру Лобсаска, Джорджа Н. Вонга та Елліота Кватерта, 14 листопада 2023 р., Астрофізичний журнал.
doi: 10.3847/1538-4357/acf92d

Дослідження було підтримано Прінстонською гравітаційною ініціативою, стипендією Тепліна, Національним науковим фондом (грант № 2307888) і премією Фонду Саймонса.