Магнитное пересоединение экспоненциально быстро лишило черную дыру магнитного поля
С помощью компьютерного моделирования американские физики показали, что из-за магнитного пересоединения черная дыра Керра, окруженная сильно намагниченной плазмой, экспоненциально быстро теряет магнитное поле. Результаты методов кинетики релятивистской плазмы и резистивной магнитогидродинамики согласуются с теоремой об отсутствии волос, которая говорит, что черные дыры характеризуются только массой, угловым моментом и зарядом. Кроме того, потеря сильного магнитного поля становится причиной жесткого рентгеновского излучения из магнитосферы черной дыры, пишут ученые в Physical Review Letters.
В общей теории относительности принято считать, что все черные дыры подчиняются теореме об отсутствии волос: если у двух черных дыр одинаковые масса, заряд и угловой момент, то их невозможно отличить друг от друга — вся остальная информация об их прародителях и поглощенной материи скрыта от наблюдателя за горизонтом событий.
Черные дыры, рожденные в результате коллапса намагниченных звезд, рождаются с магнитным полем, пронизывающим горизонт событий. Также черная дыра может приобрести собственное магнитное поле в результате слияния с намагниченной нейтронной звездой. Из-за этого у черной дыры появляются волосы в виде силовых линий магнитного поля, но ненадолго — в вакууме любое безмассовое поле с целым спином быстро улетучивается, оставляя черную дыру «лысой».
Однако намагниченные черные дыры редко находятся в вакууме: если черная дыра сформировалась в результате коллапса нейтронной звезды, вокруг нее будет неизбежно присутствовать плазма, либо плазма образуется в результате рождения электрон-позитронных пар возле горизонта событий. Из-за присутствия высокопроводящей плазмы условия в теореме об отсутствии волос радикально меняются — вместо вакуума вокруг черной дыры появляется материя, способная удерживать магнитное поле и не давать ему соскочить с горизонта событий. В таком случае единственный возможный сценарий потери магнитного поля — это перезамыкание магнитных линий, в результате которого силовые линии вытягиваются, разрываются и соединяются вновь в виде магнитных петель, содержащих плазму. Образовавшиеся плазмоиды либо падают за горизонт событий, либо улетают от черной дыры с релятивистскими скоростями. При этом энергия магнитного поля переходит в кинетическую энергию частиц и излучение. В 2011 году этот процесс наблюдали при моделировании намагниченной черной дыры в случае столкновительной плазмы (авторы ошибочно пренебрегли бесстолкновительной физикой плазмы) и в низком численном разрешении. Это привело к чрезмерно долгому угасанию магнитного поля и нарушению теоремы об отсутствии волос.
Ученые под руководством Эшли Брансгроува (Ashley Bransgrove) из Колумбийского университета учли ошибки предыдущего исследования и использовали более точные численные моделирования кинетики частиц — GRPIC (general-relativistic particle-in-cell) и магнитогидродинамики — GRRMHD (general-relativistic resistive magnetohydrodynamics) для изучения процесса потери магнитного поля черной дырой Керра.
В качестве начального состояния физики выбрали черную дыру с дипольным магнитным полем, предполагая, что она уже поглотила нейтронную звезду, окруженную плазмой, но еще не начала терять поле. Оба метода моделирования показали, что эволюция магнитосферы проходит в несколько стадий: сначала плазма в эргосфере вращается вокруг черной дыры, увлекает за собой ее магнитное поле и продуцирует полоидальное магнитное поле (линии которого проходят вдоль меридианов) по правилу буравчика. По мере раздувания полоидального магнитного поля силовые линии вытягиваются и сгущаются у экватора. В итоге картина силовых линий напоминает поля двух магнитных монополей (split-monopole field) — в северном полушарии линии направлены прямо от черной дыры, в южном — к черной дыре. Тороидальное магнитное поле (чьи линии направлены вдоль параллелей) также противоположно направлено в двух полушариях. Подобная конфигурация магнитных полей в соответствии с первым уравнением Максвелла рождает токовый лист в плоскости экватора, вдоль которого происходит магнитное пересоединение полей.
По данным моделирования, впервые магнитное пересоединение появляется около так называемой поверхности застоя, снаружи которой плазма движется от черной дыры, а внутри — поглощается ею. Так, плазмоиды, рожденные снаружи поверхности застоя, улетают прочь вдоль токового листа со скоростью, близкой к скорости света, тогда как рожденные внутри медленно, со скоростью меньше десятой части скорости света, движутся к горизонту событий. Скорость магнитного пересоединения в модели GRPIC оказалась равной одной десятой скорости света, что превышает скорость пересоединения в GRRMHD в 10 раз. Из-за этого плазмоиды в GRPIC успевают вырасти больше, чем в GRRMHD, до того, как их отбрасывает с релятивистской скоростью. Такое расхождение вызвано тем, что в GRRMHD используется упрощенная модель диффузии частиц, а в GRPIC плазма смоделирована из первых принципов.
Также ученые провели магнитогидродинамическое моделирование в трехмерном режиме (GRRMHD2). В нем уже не наблюдалась осесимметричная картина пересоединения магнитного поля: трехмерные плазмоиды напоминают запутанные трубки конечной длины с более сложной топологией, чем у двумерных плазмоидов.
В обеих моделях магнитный поток через поверхность черной дыры уменьшается экспоненциально быстро вне зависимости от силы магнитного поля в начале эксперимента (в случае сильно намагниченной плазмы и малого ларморовского радиуса) — а это подтверждает выполнение теоремы об отсутствии волос. Также физики выяснили, что итоговый заряд черной дыры равен нулю, то есть в результате размагничивания черная дыра снова стала черной дырой Керра.
Ученые обнаружили излучение при перезамыкании магнитных линий и посчитали общую диссипативную мощность, видимую при этом наблюдателем на бесконечности. Как и ожидалось, в магнитном поле выше миллиона гауссов и в пределе высокой намагниченности плазмы почти вся магнитная энергия переходит в излучение в жестком рентгеновском диапазоне, что со стороны может выглядеть как вспышка галактического магнетара. Авторы также отмечают, что в ходе «облысения» черной дыры может наблюдаться когерентное радиоизлучение, а также мазерное излучение, возникающее в результате столкновения гигантских плазмоидов с потоками плазмы.
Ранее мы писали о том, как ученые доказали теорему об отсутствии волос с помощью гравитационных волн, а также обсудили статью «Мягкие волосы черной дыры» о поправках к классической теореме об отсутствии волос с Эмилем Ахмедовым в материале «Уйдем по направлению световой бесконечности».
Елизавета Чистякова
Роль магнитного поля сыграло туннелирование в оптической решетке
Физики впервые экспериментально сгенерировали дробные квантовые состояния Холла в двумерной системе ультрахолодных атомов. Как сообщается в Nature, в созданных состояниях удалось пронаблюдать основные свойства дробных холловских: подавление двухчастичного взаимодействия, сильные (анти)корреляции плотности и дробную величину аналога холловской проводимости. Дробный квантовый эффект Холла возникает в двумерном электронном газе в сильных магнитных полях. Одноименно заряженные электроны отталкиваются друг от друга, однако не могут разлетаться прямолинейно из-за сильного магнитного поля, которое резко закручивает импульс частиц и порождает сложное коллективное движение в системе: поведение отдельных частиц не независимо, а наоборот сильно скоррелировано. В таких ситуациях вместо рассмотрения каждого электрона в отдельности изучают коллективную волновую функцию системы, выделяя основное состояние системы (низшее по энергии) и возбужденные состояния (с энергией выше основного) — квазичастицы. При этом эффективная масса или заряд последних не обязаны совпадать с характеристиками исходных частиц. Так, еще в восьмидесятых годах прошлого века было установлено, что в дробном квантовом эффекте Холла заряд собравшихся из коллективных электронных возбуждений квазичастиц оказывается дробным по отношению к заряду самих электронов. Этим можно объяснить наблюдаемую дробную холловскую проводимость: в обычной ситуации эта величина в единицах отношения квадрата заряда электрона к постоянной планка (обратный квант электрического сопротивления) равна целому числу, а в дробном эффекте Холла принимает нецелые значения. Более того, даже статистика таких квазичастиц может быть промежуточной по отношению к стандартной классификации элементарных частиц на бозоны и фермионы: состояния не обязаны быть строго симметричными или антисимметричными по отношению к перестановкам. Такие экзотические свойства делают дробные холловские состояния перспективным инструментом для квантовых вычислений. При этом вместо того чтобы создавать и контролировать сильные магнитные поля во многоэлектронных системах, физики стремятся создать аналогичные по свойствам, но легко контролируемые квантовые системы — например, из ультрахолодных атомов в оптической решетке. Тем не менее, до недавнего времени об экспериментальной реализации дробных холловских состояний в системах ультрахолодных атомов не сообщалось. Теперь физики из Австрии, Бельгии, Германии, США и Франции под руководством Маркуса Грейнера (Markus Greiner) из Гарвардского университета смогли создать дробные холловские состояния в системе двух ультрахолодных атомов рубидия-87. Для этого исследователи размещали атомы в квадратной оптической решетке (на пересечении двух лазерных лучей) размером в четыре ячейки с каждой стороны, и на протяжении эксперимента контролировали их положение (с разрешением в одну ячейку) с помощью флуоресцентных изображений. Первоначально атомы находились соседних краевых ячейках решетки. Затем авторы, контролируя параметры ячейки, по очереди адиабатически медленно создавали туннелирование по каждой из осей решетки, симулируя тем самым поведение заряженных частиц в сильном магнитном поле. В результате пара атомов рубидия переходила в коллективное состояние, которое физики фиксировали и после анализировали сходство с состояниями дробного холловского типа по свойствам получившегося пространственного распределения плотности и зависимости этих свойств от величины эффективного магнитного поля. В результате авторы обнаружили в итоговых состояниях все ключевые характеристики дробных холловских состояний. Во-первых, удалось зарегистрировать подавление двухчастичного взаимодействия: начиная с критических значений магнитного потока (при переходе к коллективному состоянию) в несколько раз (по сравнению с обычным состоянием) снижалась вероятность наблюдать оба атома в одной и той же ячейке решетки. Во-вторых, эффективная холловская проводимость приняла дробное значение — этот параметр исследователи оценивали через производную средней плотности атомов в центральных четырех ячейках по величине эффективного магнитного потока. Наконец, в-третьих, при надкритической величине эффективного поля кратно возрастали значения (анти)корреляции плотности по всей оптической решетке, что свидетельствует о переходе к зависимому, коллективному поведению системы. При этом сходство оказалось не только качественным, но и количественным: измеренные величины совпали с теоретическим прогнозом для дробного холловского состояния в пределах погрешности, что позволяет заявить о надежной регистрации этого состояния в системе ультрахолодных атомов. Кроме того, чтобы оценить качество адиабатической подготовки коллективного состояния из исходного, в части опытов физики вместо фиксации результата проделывали подготовку в обратной последовательности, от конечного состояния к начальному. Вероятность обнаружить в этом «новым начальном» состоянии исходное начальное исследователи использовали как количественную оценку адиабатичности своих манипуляций: эта величина составила около 43 процентов. По словам авторов, экспериментальный результат является первым шагом в освоении контролируемых манипуляций с сильно скоррелированными состояниями ультрахолодных атомов и в будущем может оказаться практически полезным для квантовых технологий. Ранее мы рассказывали о том, как орбитальное движение атомов повлияло на формирование ультрахолодных димеров в оптических решетках и о том, как свет помог собрать ультрахолодную молекулу из двух атомов.