Черные дыры наследуют магнитные поля от родительских звезд

Черные дыры — одни из самых загадочных космических объектов. Хотя они больше всего известны тем, что поглощают свое окружение в гравитационную яму, из которой ничто не может выбраться, они также могут выбрасывать мощные струи заряженных частиц, что приводит к взрывным всплескам гамма-лучей, которые могут высвободить больше энергии за считанные секунды, чем наше Солнце испустит за всю свою жизнь. Для того, чтобы произошло такое впечатляющее событие, черная дыра должна нести мощное магнитное поле. Однако то, откуда берется этот магнетизм, было давней загадкой.

Используя расчеты формирования черных дыр, ученые из Flatiron Institute и их коллеги наконец-то нашли источник этих магнитных полей: коллапсирующие родительские звезды самих черных дыр. Исследователи сообщают о своих результатах в The Astrophysical Journal Letters.

Черные дыры могут образоваться после взрыва звезды как сверхновой, оставляя после себя плотное остаточное ядро, называемое протонейтронной звездой.

«Протонейтронные звезды являются матерями черных дыр, поскольку при их коллапсе рождается черная дыра. Мы видим, что по мере формирования этой черной дыры окружающий ее диск протонейтронной звезды по сути прикрепляет свои магнитные линии к черной дыре», — говорит Оре Готтлиб, первый автор исследования. «Очень волнительно наконец понять это фундаментальное свойство черных дыр и то, как они питают гамма-всплески — самые яркие взрывы во Вселенной».

Тайна магнетизма

Первоначально команда исследователей намеревалась смоделировать путь звезды от рождения до коллапса и образования черной дыры. С помощью своих симуляций они планировали изучить оттоки из черной дыры, такие как струи, которые генерируют гамма-всплески. Однако ученые столкнулись с проблемой в моделях.

«Мы не были уверены, как моделировать поведение этих магнитных полей во время коллапса нейтронной звезды в черную дыру», — говорит Оре Готтлиб. «Поэтому это был вопрос, над которым я впервые начал размышлять».

Существовало несколько теорий, касающихся черных дыр и их магнетизма, но ни одна из них не могла объяснить мощность струй (джетов) и гамма-всплесков черной дыры.

«Раньше считалось, что магнитные поля погибающих звезд коллапсируют в черную дыру. Во время этого коллапса линии магнитного поля становятся сильнее, поскольку они сжимаются, поэтому плотность магнитных полей становится выше».

Проблема с этим объяснением заключалась в том, что сильный магнетизм в звезде заставляет ее терять вращение. А без быстрого вращения новорожденная черная дыра не могла бы сформировать аккреционный диск — поток газа, плазмы, пыли и частиц вокруг черной дыры — и не могла бы производить джеты и гамма-всплески, которые наблюдались.

«Похоже, это взаимоисключающие вещи», — говорит Оре Готтлиб. «Для образования джетов нужны две вещи: сильное магнитное поле и аккреционный диск. Но магнитное поле, полученное в результате такого сжатия, не сформирует аккреционный диск, а если уменьшить магнетизм до точки, при которой может образоваться диск, то его будет недостаточно для образования джетов».

Это означало, что происходит что-то еще, и ученые решили выяснить это, обратившись непосредственно к источнику: родителю черной дыры.

Магнитный родитель черной дыры: нейтронная звезда

Ученые поняли, что, возможно, предыдущие моделирования коллапса нейтронных звезд не давали полной картины.

«Предыдущие моделирования рассматривали только изолированные нейтронные звезды и изолированные черные дыры, где весь магнетизм теряется во время коллапса. Однако мы обнаружили, что эти нейтронные звезды имеют собственные аккреционные диски, как и черные дыры», — говорит Готтлиб. «И поэтому идея заключается в том, что, возможно, аккреционный диск может сохранить магнитное поле нейтронной звезды. Таким образом, черная дыра сформируется с теми же линиями магнитного поля, которые пронизывают нейтронную звезду».

Расчеты научной группы показали, что при коллапсе нейтронной звезды, прежде чем все ее магнитное поле будет поглощено вновь образованной черной дырой, диск нейтронной звезды наследуется черной дырой, а ее линии магнитного поля становятся основными для черной дыры.

«Мы провели расчеты для типичных значений, которые мы ожидаем увидеть в этих системах, и в большинстве случаев временные рамки для формирования диска черной дыры короче, чем временные рамки потери черной дырой своего магнетизма», — говорит Готтлиб. «Таким образом, диск позволяет черной дыре унаследовать магнитное поле от своей матери, нейтронной звезды».

«Это исследование меняет наше представление о том, какие типы систем могут поддерживать формирование джетов, потому что если мы знаем, что аккреционные диски подразумевают магнетизм, то в теории все, что вам нужно, — это раннее формирование диска для питания джетов», — говорит Оре Готтлиб. «Я думаю, нам было бы интересно переосмыслить все связи между популяциями звезд и формированием джетов теперь, когда мы это знаем».