Моделирование черных дыр на суперкомпьютере

Современные суперкомпьютеры моделируют мощные энергетические джеты (струи), выходящие из черных дыр - самых экзотических и мощных объектов во Вселенной.

"Эти исследования помогут нам открыть загадку черных дыр и подтвердить, что вследствие их вращения действительно происходит выход энергии," - говорит астрофизик Дэвид Мейер (David Meier), один из соавторов статьи, которая скоро выйдет в международном научном журнале Science.

Черные дыры - это сверхплотные объекты с такой сильной гравитацией, что даже свет не может из них выйти. Черные дыры захватывают в себя любое приблизившееся к ним вещество, включая другие черные дыры. Эти необычные объекты образуются одним из двух способов - при коллапсе звезды или когда много звезд и черных дыр коллапсируют вместе в ядре галактики.

Оба типа черных дыр могут вращаться очень быстро, увлекая за собой пространство вокруг них. Когда много вещества падает на черную дыру, оно закручивается, как в водовороте. С помощью рентгеновских и радионаблюдений астрономы могут быть свидетелями таких событий, в том числе и струй из черных дыр, но они не могут увидеть саму черную дыру.

"Мы не можем совершить путешествие к черной дыре, и мы не можем сделать ее в лаборатории - поэтому мы используем суперкомпьютеры," - продолжает Мейер. С помощью компьютеров ученые объединяют данные о плазме, падающей на черную дыру, и свои познания того, как гравитация и магнитные поля могут воздействовать на плазму. Ученые также исследуют способы того, как магнитное поле может использовать энергию вращения черной дыры и образовывать мощные струи.

Феномен струй был предсказан Роджером Блэндфордом и Романом Знажеком в 1970-х годах. Новые компьютерные исследования подтверждают это предсказание. Последние работы были проведены в конце 2001-го года с помощью суперкомпьютера японского института National Institute for Fusion Science.

Объекты со струями в ядрах галактик были идентифицированы в начале 1900-х годов. В 1960-х годах ученые исследовали возможность того, что этими объекты со струями могут быть сверхмассивные черные дыры с массами от одного миллиона до нескольких миллиардов масс Солнца.

В 1990-х годах было установлено, что такие струи могут испукаться менее массивными черными дырами в двойных звездных системах. Черная дыра с массой в десять масс Солнца может образоваться при коллапсе звезды массой от 20 до 30 масс Солнца. При этом образуется крошечный невидимый объект размером всего лишь в несколько километров, но с очень мощным гравитационным полем. Сверхмассивные черные дыры образуются при коллапсе большого количества звезд и черных дыр в ядрах галактик.

Трехмерная иллюстрация показывает (Рис. 1), как вблизи вращающейся черной дыры перекручиваются силовые линии магнитного поля в падающей на черную дыру плазме. Черная сфера в центре рисунка - это сама черная дыра, а желтая область вокруг нее представляет область закрученного пространства. Красные линии показывают линии магнитного поля, проходящие через область закрученного пространства, а зеленые - магнитные линии, еще не входящие в эту область.

На других картинках представлена компьютерная эволюция черной дыры. Слева вверху - плазма медленно падает по направлению к черной дыре, линии магнитного поля в плазме показаны белыми линиями. На следующих картинках движение плазмы сильно ускоряется. Однако вращающаяся черная дыра закручивает само пространство (и линии магнитного поля) и испускает мощное электромагнитное излучение в направлениях северного и южного полюсов (показано красным и белым цветом), которое захватывает с собой частицы плазмы и образует струи.

Photo: NASA/JPL