Новая модель дает представление о поведении черной дыры в центре нашей галактики

Как и большинство галактик, в центре Млечного Пути находится сверхмассивная черная дыра. Названный Стрелец А*, этот объект захватил любопытство астрономов на протяжении десятилетий. А теперь ученые опубликовали статью, в которой исследуют магнитные свойства аккреционного диска, окружающего Стрелец А*.

В своей работе исследователи из Калифорнийского университета в Беркли попытались определить, может ли магнитное поле черной дыры, генерируемое падающей материей, нарастать до такой степени, что оно ненадолго будет перекрывает этот поток. Ответ на этот вопрос потребовал бы моделирования всей системы вплоть до ближайших орбитальных звезд.

Рассматриваемая система охватывает семь порядков величины. Горизонт Событий черной дыры, или граница невозврата, простирается примерно на 5-10 миллионов километров от ее центра. Между тем звезды вращаются на расстоянии около 20 триллионов километров, или примерно в половине расстояния от Солнца до Альфа Центавра.

-Значит, вы должны отследить падение вещества от этого очень большого масштаба до этого очень малого масштаба, — говорит ведущий автор Шон Ресслер. — И сделать это в одном симуляторе невероятно сложно, до такой степени, что это невозможно.- Самые незначительные события происходят в масштабе секунд, в то время как самые крупные явления происходят в течение тысяч лет.

В своей работе ученые связывают маломасштабные симуляции, которые в основном основаны на теории, с крупномасштабными моделями, которые могут быть ограничены реальными наблюдениями. Чтобы достичь этого, Ресслер разделил задачу между моделями в трех перекрывающихся масштабах.

Первое моделирование основывалось на данных, полученных от окружающих звезд Стрельца А*. К счастью, в окрестностях черной дыры присутствуют всего 30 или около того звезд Вольфа-Райе, которые выбрасывают огромное количество материала.

«Потеря массы только одной из звезд больше, чем общее количество вещества, падающего в черную дыру в течение того же времени», — сказал Шон Ресслер. Звезды проводят только около 100 000 лет в этой динамической фазе, прежде чем перейти в более стабильную стадию жизни.

Используя данные наблюдений, ученые смоделировали орбиты этих звезд в течение примерно тысячи лет. Затем они использовали полученные результаты в качестве отправной точки для моделирования средних расстояний, которые развиваются в более коротких временных масштабах.

Они повторили это для моделирования вплоть до самого края горизонта событий, где активность происходит в считанные секунды. Такой подход позволил свести результаты трех симуляций друг к другу.

Результаты показали, что Стрелец А* может быть магнитно заблокирован. Это стало неожиданностью для ученых, так как Млечный Путь имеет относительно тихий галактический центр. Обычно магнитно-заблокированные черные дыры имеют высокоэнергетические струи, выбрасывающие частицы с релятивистскими скоростями. Но до сих пор ученые видели мало свидетельств существования струй вокруг Стрельца А*.

«Другой ингредиент, который помогает создавать струи, — это быстро вращающаяся черная дыра, — говорят исследователи, — так что это может рассказать нам кое-что о вращении Стрельца А*.»

К сожалению, спин черной дыры трудно определить. Ученые смоделировали Стрелец А * как неподвижный объект. «Мы ничего не знаем о его вращении. Есть вероятность, что он просто не вращается.»

Исследователи далее планируют смоделировать вращающуюся черную дыру, что гораздо сложнее. Это сразу же вводит множество новых переменных, включая скорость вращения, направление и наклон относительно аккреционного диска. Для принятия этих решений они будут использовать данные гравитационного интерферометра Европейской южной обсерватории.

Ученые использовала моделирование для создания изображений, которые можно сравнить с реальными наблюдениями за черной дырой. Ученые из коллаборации телескопа Event Horizon, которая в апреле 2019 года попала в заголовки газет с первым прямым изображением черной дыры — уже обратились с просьбой предоставить данные моделирования, чтобы дополнить свои усилия по фотографированию Стрельца А*.

Телескоп Event Horizon эффективно использует среднее время своих наблюдений, что приводит к размытому изображению. Это было менее проблематично, когда обсерватория нацелилась на Мессье 87*, потому что он примерно в 1000 раз больше Стрельца а*, поэтому он меняется примерно в 1000 раз медленнее.

«Это все равно что фотографировать ленивца, а не колибри», — объяснил Шон Ресслер. Их текущие и будущие результаты должны помочь консорциуму интерпретировать их данные о нашем собственном галактическом центре.

Полученные результаты — это большой шаг вперед в нашем понимании активности в центре Млечного Пути. Это первый случай, когда Стрелец А* был смоделирован в таком большом диапазоне радиусов в трехмерном моделировании, и первое моделирование горизонта событий с использованием прямых наблюдений звезд Вольфа-Райе.

Sean M. Ressler et al. Ab Initio Horizon-scale Simulations of Magnetically Arrested Accretion in Sagittarius A* Fed by Stellar Winds, The Astrophysical Journal (2020). DOI: 10.3847/2041-8213/ab9532