3 июня 2020, среда, 22:55
VK.comFacebookTwitterTelegramInstagramYouTubeЯндекс.Дзен

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

31 января 2018, 10:00

Джеты и вращение черных дыр

Иллюстрация пресс-службы МФТИ

В лаборатории фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной Московского физико-технического института разработали модель, позволяющую проверить одну из гипотез, описывающую взаимодействие сверхмассивных черных дыр в центрах галактик с испускаемыми ими струями — джетами. Модель позволяет по измеренному магнитному полю джета предсказать потери вращательной энергии испускающей его черной дыры. Работа опубликована в журнале Frontiers in Astronomy and Space Sciences, кратко о ее результатах рассказывается в пресс-релизе МФТИ.

Сегодня астрофизики могут наблюдать сотни джетов — мощных струй, вырывающихся со скоростями, близкими к скорости света (релятивистскими), из ядер активных галактик — сверхмассивных черных дыр. Их размеры огромны даже на фоне других астрономических объектов — длина джета может достигать нескольких процентов радиуса галактики, и быть примерно в 300 тысяч раз больше размера испускающей его черной дыры. Эти объекты позволяют заглянуть в глубокое прошлое Вселенной. Однако у ученых до сих пор остается большое количество вопросов к их устройству. Доподлинно неизвестно даже из чего состоят джеты, поскольку при их наблюдении не регистрируются какие-либо спектральные линии — на сегодня принято считать, что они состоят из электронов и позитронов или протонов. Впрочем, из отдельных крупиц достоверных знаний постепенно складывается непротиворечивая модель этих удивительных объектов.

Вращающиеся черные дыры с аккреционным диском (движущимся вокруг центрального тела веществом), рождающие джеты, считаются самыми эффективными двигателями. КПД джетов, которые выбрасываются активными ядрами галактик, порой превышают 100%, если рассчитать эффективность системы «джет + черная дыра + аккреционный диск» как отношение энергии, уносимой джетом, к энергии аккрецируемого (падающего) на черную дыру вещества. Второй закон термодинамики, отрицающий возможность существования вечных двигателей, при внимательном рассмотрении в этом случае не нарушается. Оказывается, что в энергию джета дает свой вклад процесс замедления вращения черной дыры. То есть, испуская джет, черная дыра едва заметно тормозит свое вращение.

Можно провести аналогию с электровелосипедом, который приводится в движение не только мускульными усилиями ездока, то есть внешним фактором (как энергия аккрецируемого вещества), но также встроенным электромотором — внутренним источником (как энергия вращения черной дыры).

Джет позволяет черной дыре избавиться от избыточного вращательного момента, который она получает от аккрецируемого вещества, вращающегося с высокой скоростью. Аналогичные эффекты астрофизики давно наблюдают в молодых звездах. В процессе формирования на звезду оседает вещество аккреционного диска, обладающее гигантским угловым моментом. При этом наблюдаемая скорость вращения таких звезд очень мала. И весь избыточный вращательный момент уходит в узкие джеты, испускаемые этими звездами.

Сравнительно недавно у астрофизиков появился метод, с помощью которого можно определять магнитное поле в джетах активных ядер галактик. Астрофизик Елена Нохрина показала, что с помощью этого метода можно оценить наличие энергетического вклада от замедления вращения черной дыры в общую мощность джета. До сих пор формула, дающая ответ на вопрос, имеет ли место перетекание энергии вращения черной дыры в энергию джета, не была проверена на данных полученных из наблюдений. При этом важный параметр, определяющий темп потерь вращательной энергии черной дыры – скорость ее вращения – не удается пока достоверно оценить по наблюдениям.

 

Сверхмассивная черная дыра, окруженная аккреционным диском, испускает джет. Иллюстрация пресс-службы МФТИ

Черная дыра не может иметь собственного магнитного поля. Но вокруг нее создается вертикальное магнитное поле, связанное с магнитным полем вещества аккреционного диска. Для оценки потерь черной дырой энергии вращения нужно выяснить величину потока магнитного поля, проходящего через горизонт черной дыры.

«Поскольку магнитный поток сохраняется, то, измеряя его величину в джете, мы получим поток магнитного поля вблизи черной дыры. Зная массу черной дыры, можно вычислить расстояние от оси ее вращения до горизонта событий (условной границы черной дыры), тогда становится возможным оценить разность потенциалов между осью вращения и границей черной дыры. Получить величину электрического тока вблизи черной дыры можно из условия экранирования электрического поля в окружающей плазме. Зная ток и разность потенциалов, можно оценить энергетические потери вращения черной дыры», — рассказывает автор работы, заместитель руководителя лаборатории фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ Елена Нохрина.

Проделанные расчеты указывают на корреляцию величины полной мощности испускаемого черной дырой джета с потерями вращательной энергии черной дыры. Стоит отметить, что до недавнего времени для простоты в моделях использовалась однородная поперечная структура джетов. Для более корректных оценок была использована модель, учитывающая неоднородную поперечную структуру магнитного поля джета.

Поперечная структура магнитного поля джета. Иллюстрация пресс-службы МФТИ

В случае далеких галактик наблюдаемая картина магнитного поля джета выглядит достаточно размыто — для большинства джетов поперечная структура не видна. Поэтому экспериментально измеренное магнитное поле сопоставляется с его модельной поперечной структурой для оценки величин компонентов магнитного поля. Именно учет поперечной структуры позволяет проверить механизм потерь без информации о скорости вращения черной дыры.

Переносимое джетом количество энергии, согласно рассмотренной гипотезе, зависит от потока магнитного поля и скорости вращения черной дыры. Таким образом, можно оценить вклад в мощность джета потерь вращательной энергии черной дырой. Замечательным результатом этой теоретической работы стала возможность получить оценку потери вращательной энергии черной дырой, измеряя магнитное поле в джете, без информации о скорости вращения черной дыры.

Обсудите в соцсетях

«Ангара» Африка Византия Вселенная Гренландия ДНК Иерусалим КГИ Луна МГУ Марс Монголия НАСА РБК РВК РГГУ РадиоАстрон Роскосмос Роспатент Росприроднадзор Русал СМИ Сингапур Солнце Титан Юпитер акустика антибиотики античность антропогенез археология архитектура астероиды астрофизика бактерии бедность библиотеки биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера вакцинация викинги вирусы воспитание вулканология гаджеты генетика география геология геофизика геохимия гравитация грибы дельфины демография демократия дети динозавры животные здоровье землетрясение змеи зоопарк зрение изобретения иммунология импорт инновации интернет инфекции ислам исламизм исследования история карикатура картография католицизм кельты кибернетика киты климатология клонирование комары комета кометы компаративистика космос культура культурология лазер лексика лженаука лингвистика льготы мамонты математика материаловедение медицина металлургия метеориты микробиология микроорганизмы мифология млекопитающие мозг моллюски музеи насекомые наука нацпроекты неандертальцы нейробиология неолит обезьяны общество онкология открытия палеолит палеонтология память папирусы паразиты перевод питание планетология погода политика право приматы природа психиатрия психоанализ психология психофизиология птицы путешествие пчелы ракета растения религиоведение рептилии робототехника рыбы сердце смертность собаки сон социология спутники старение старообрядцы стартапы статистика такси технологии тигры топливо торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология физика физиология фольклор химия христианство цифровизация школа экзопланеты экология электрохимия эпидемии эпидемиология этология язык Александр Беглов Дмитрий Козак Древний Египет Западная Африка Латинская Америка НПО «Энергомаш» Нобелевская премия РКК «Энергия» Российская империя Сергиев Посад альтернативная энергетика аутизм биология бозон Хиггса вымирающие виды глобальное потепление грипп защита растений инвазивные виды информационные технологии искусственный интеллект история искусства история цивилизаций исчезающие языки квантовая физика квантовые технологии климатические изменения компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор криминалистика культурная антропология междисциплинарные исследования местное самоуправление мобильные приложения научный юмор облачные технологии обучение одаренные дети педагогика персональные данные подготовка космонавтов преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека русский язык сланцевая революция физическая антропология финансовый рынок черные дыры эволюция эволюция звезд эмбриональное развитие этнические конфликты ядерная физика Вольное историческое общество жизнь вне Земли естественные и точные науки НПО им.Лавочкина Центр им.Хруничева История человека. История институтов дело Baring Vostok Протон-М 3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM MERS PayPal PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi

Редакция

Электронная почта: polit@polit.ru
Телефон: +7 929 588 33 89
Яндекс.Метрика
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2020.