Новая теория о свечении черных дыр и нейтронных звезд

В течение десятилетий ученые размышляли о происхождении электромагнитного излучения, испускаемого областями, в которых расположены черные дыры и нейтронные звезды — самые загадочные объекты во вселенной.

Астрофизики полагают, что это излучение высокой энергии, благодаря которому нейтронные звезды и черные дыры сияют ярко, генерируется электронами, движущимися почти со скоростью света, но процесс, который ускоряет эти частицы, остается загадкой.

Теперь исследователи из Колумбийского университета представили новое объяснение физики, лежащей в основе ускорения этих частиц.

В исследовании астрофизики Лука Комиссо и Лоренцо Сирони использовали массивные суперкомпьютерные симуляции для расчета механизмов, ускоряющих эти частицы. Они пришли к выводу, что их возбуждение является результатом взаимодействия между хаотическим движением и переподключением сверхсильных магнитных полей.

«Турбулентность и магнитное переподключение — процесс, в котором линии магнитного поля разрываются и быстро воссоединяются — сливаются воедино, чтобы ускорить частицы, увеличивая их до скоростей, приближающихся к скорости света», — говорят ученые.

«Область, в которой расположены черные дыры и нейтронные звезды, пронизана чрезвычайно горячим газом заряженных частиц, а линии магнитного поля, перетаскиваемые хаотическими движениями газа, приводят к сильному магнитному пересоединению».

«Именно благодаря электрическому полю, вызванному переподключением и турбулентностью, частицы ускоряются до самых экстремальных энергий, намного выше, чем в самых мощных ускорителях на Земле, таких как Большой адронный коллайдер в ЦЕРН».

При изучении турбулентного газа ученые не могут точно предсказать хаотическое движение. Заниматься математикой турбулентности очень сложно, и она представляет собой одну из семи математических проблем «Премии тысячелетия».

Чтобы решить эту проблему с астрофизической точки зрения, Комиссо и Сирони разработали суперкомпьютерные симуляции — крупнейшие в мире, среди когда-либо проводимых в этой области исследований — для решения уравнений, описывающих турбулентность в газе заряженных частиц.

«Мы использовали самый точный метод — метод частиц в ячейке — для расчета траекторий сотен миллиардов заряженных частиц, которые самосогласованно определяют электромагнитные поля. И именно это электромагнитное поле говорит им, как двигаться»

Критической точкой исследования является определение роли магнитного пересоединения в турбулентной среде. Моделирование показало, что переподключение является ключевым механизмом, который выбирает частицы, которые впоследствии будут ускоряться турбулентными магнитными полями до самых высоких энергий.

Моделирование также показало, что частицы получали большую часть своей энергии, случайным образом отскакивая с чрезвычайно высокой скоростью от колебаний турбулентности. Когда магнитное поле сильное, этот механизм ускорения очень быстрый.

Но сильные поля также заставляют частицы перемещаться по искривленной траектории, и при этом они излучают электромагнитное излучение.

«Это действительно излучение, излучаемое вокруг черных дыр и нейтронных звезд, которые заставляют их сиять — явление, которое мы можем наблюдать на Земле», — говорят исследователи.

По словам ученых, конечная цель — узнать, что на самом деле происходит в экстремальной среде, окружающей черные дыры и нейтронные звезды, что может пролить дополнительный свет на фундаментальную физику и улучшить наше понимание того, как функционирует наша Вселенная.

Они планируют еще теснее связать свою работу с наблюдениями, сравнивая свои предсказания с электромагнитным спектром, излучаемым Крабовидной туманностью, наиболее интенсивно изученным ярким остатком сверхновой (звезды, которая взорвалась в 1054 году). Это будет строгим тестом для их теоретического объяснения.

Luca Comisso et al, The Interplay of Magnetically Dominated Turbulence and Magnetic Reconnection in Producing Nonthermal Particles, The Astrophysical Journal (2019). DOI: 10.3847/1538-4357/ab4c33