Сравнение изображений, предсказанных моделями и наблюдениями. 
(A–C) Изображения на частоте 86 ГГц. 
(D–F) Изображения на частоте 43 ГГц. 
Левая, средняя и правая панели представляют собой изображения, предсказанные (A и D) только тепловой моделью, (B и E) реперной моделью плотности тока и (C и F) наблюдаемыми изображениями соответственно.
Фото: Достижения науки (2024 г.). DOI: 10.1126/sciadv.adn3544.

Международная группа под руководством доктора Юань Фэна из Шанхайской астрономической обсерватории Китайской академии наук исследовала обоснованность двух основных моделей струй черных дыр, рассчитав излучение, предсказанное этими моделями, и сравнив его с наблюдениями джета M87. и обнаружили, что модель «извлечения энергии вращения черной дыры» точно предсказала наблюдаемые струи, в то время как модель «извлечения энергии вращения аккреционного диска» изо всех сил пыталась объяснить результаты наблюдений.

Излучающие электроны ускоряются за счет магнитного пересоединения в струях черных дыр, что, вероятно, вызвано «магнитными извержениями» в аккреционном диске. Исследование было опубликовано в журнале Science Advances.

Черные дыры — это необычайно своеобразные небесные тела во Вселенной, обладающие чрезвычайно мощной гравитационной силой, от которой даже свет не может уйти в пределах их радиуса, известного как горизонт событий.

Однако более века назад наблюдения показали, что сразу за горизонтом событий черной дыры, на очень близком расстоянии, черная дыра может испускать мощные потоки материи и энергии со скоростями, приближающимися к скорости света, известные как джеты. На изображениях, полученных с помощью телескопов, эти джеты летят прямо наружу, подобно лазерному лучу, простираясь на огромные расстояния, а длина некоторых джетов даже превосходит масштабы галактик.

Вопрос о том, как формируются эти загадочные струи, уже более столетия изучается многими учеными, в том числе нобелевским лауреатом сэром Роджером Пенроузом. В настоящее время в этой области исследований существуют в основном две модели. Один из них предполагает извлечение энергии вращения черной дыры из крупномасштабных магнитных полей, известное как модель «извлечения энергии вращения черной дыры». Другой вариант также основан на крупномасштабных магнитных полях, но, в отличие от первого, он включает в себя извлечение энергии вращения аккреционного диска, называемое моделью «извлечения энергии вращения аккреционного диска».

Астрономы пытаются решить проблему только источника энергии для джетов. Могут ли джеты, создаваемые этими двумя моделями, соответствовать результатам наблюдений относительно морфологии, ширины, поля скоростей и поляризации джетов? Какая из двух моделей механизма образования этих струй верна? Команда под руководством доктора Юань Фэна ответила на эти два вопроса.

В качестве аргумента команда использовала струи сверхмассивной черной дыры в центре галактики M87. Эта сверхмассивная черная дыра известна как «звезда» первого в истории изображения черной дыры, полученного телескопом горизонта событий (EHT). Команда применила крупномасштабные методы численного моделирования для решения уравнений общей релятивистской магнитогидродинамики и получила аккреционный поток вокруг черной дыры и струи, создаваемые двумя упомянутыми выше моделями.

Для расчета излучения джетов и сравнения его с наблюдениями решающее значение имеют энергетический спектр и пространственное распределение излучающих электронов. Команда предположила, что ускорение электронов происходит за счет механизма «магнитного пересоединения» в струях. Она рассмотрела физические механизмы магнитного пересоединения, ускоряющего электроны, и объединила результаты исследований ускорения частиц с использованием кинетической теории для решения стационарного уравнения распределения энергии электронов. Были получены энергетические спектры и плотности электронов в различных областях струй.

Объединив их с результатами численного моделирования аккреции, включая напряженность магнитного поля, температуру и скорость газовой плазмы, команда получила различные прогнозируемые результаты наблюдений путем расчета переноса излучения в рамках общей теории относительности, которые можно было сравнить с реальными наблюдениями.

Результаты показали, что морфология джетов, предсказанная моделью «извлечения энергии вращения черной дыры», очень хорошо соответствует наблюдаемой морфологии джетов, а также другие предсказания этой модели, такие как «осветление конечностей» джетов, ширина струи. Поле длины и скорости также очень хорошо соответствовало наблюдениям. Напротив, предсказания модели «извлечения энергии вращения аккреционного диска» не соответствовали наблюдениям.

Кроме того, команда проанализировала физический механизм магнитного пересоединения и обнаружила, что этот механизм обусловлен «магнитными извержениями», генерируемыми магнитными полями в аккреционном диске черной дыры M87. Эти извержения могут вызвать сильные возмущения магнитного поля, которые могут распространяться на большие расстояния, приводя к магнитному пересоединению в джетах.

Эта работа устраняет разрыв между динамической моделью формирования струй и различными наблюдательными свойствами струй, предоставляя первое свидетельство того, что эта хорошо известная динамическая модель решает энергетические проблемы струй и объясняет другие различные результаты наблюдений.