Физики сплошных сред хватило для моделирования аккреционного диска черной дыры

Моделирование магнитогидродинамических процессов в аккреционном диске сверхмассивной черной дыры M87* подтвердило применимость теорий физики сплошных сред в условиях сверхсильных гравитационных полей и релятивистских скоростей движения. Ученые выяснили это, сравнив результаты моделирования с данными наблюдений: интенсивности излучения падающего в черную дыру вещества, его спектре и диаметре релятивистского джета. Исследование опубликовано в Nature Astronomy.

Сверхмассивная черная дыра M87* находится в ядре галактики М87 в созвездии Девы, удаленном от Земли приблизительно на 53,5 миллиона световых лет. Это одна из самых массивных из известных черных дыр — ее масса составляет порядка 6,5 миллиардов масс Солнца, то есть примерно в тысячу раз больше, чем у черной дыры в центре Млечного Пути. M87* является мощным источником электромагнитного излучения, особенно радиоволн, а также порождает релятивистский джет длиной около пяти тысяч световых лет.

Черные дыры описывает общая теория относительности, а падающую на них материю — уравнения электродинамики сплошных сред и гидродинамики. Эти уравнения надежно проверены в условиях, близких к земным, но если вещество представляет собой аккреционный диск черной дыры, то оно находится в сверхсильных гравитационных полях и движется с релятивистской скоростью.

Чтобы проверить применимость этих теорий в таких экстремальных условиях, группа астрофизиков из семи стран под руководством Алехандро Круса-Осорио (Alejandro Cruz-Osorio) из Франкфуртского университета имени Иоганна Вольфганга Гёте смоделировала взаимодействие электронов с электромагнитным полем в аккреционном диске черной дыры и сравнила результаты с наблюдательными данными.

Моделирование проводилось для нескольких различных моментов вращения черной дыры. В отличие от ньютоновской гравитации, момент вращения системы в общей теории относительности не может принимать произвольно большие значения, и в безразмерных единицах максимально возможный момент, деленный на массу черной дыры, равен 1. В моделировании использовались значения момента, равные -0,9375, -0,5, 0, 0,5 и 0,9375. Отрицательный знак здесь означает, что черная дыра и аккреционный диск вращаются в противоположных направлениях.

В качестве подгоночных параметров физики использовали радиус, начиная с которого вещество из аккреционного диска инжектировалось в джет, и

, которая уходила на разогрев электронов. Эти параметры влияют на интенсивность и спектр электромагнитного излучения вещества.

Исследователи рассмотрели два возможных распределения электронов по энергиям: обычное термальное распределение и каппа-распределение. Оно отличается от термального для высокоэнергетичных электронов из-за их активного взаимодействия с магнитным полем в веществе, выводящего электроны из состояния термального равновесия.

Сравнение наблюдаемого размера джета черной дыры с результатами моделирования показало, что момент вращения черной дыры близок к 1 (p = 0,23). Наблюдаемый спектр излучения же совпал с предсказаниями численного счета при условии, что энергии электронов распределены по каппа-распределению.

Хорошее совпадение результатов моделирования с наблюдательными данными показало, что теории физики сплошных сред остаются применимыми в случае сильных гравитационных полей и релятивистских скоростей.

В дальнейшем ученые рассчитывают еще больше приблизить моделирование к реальности. Для этого они планируют учесть радиационное охлаждение частиц и поляризационные эффекты. Кроме того, постоянно улучшаются технологии радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами, которая используется для наблюдения за черными дырами. Это должно сделать астрономические измерения параметров M87* более точными и открыть новые возможности для сравнения наблюдений и результатов моделирования.

Мы подробно писали об астрономических наблюдениях за сверхмассивной черной дырой M87* в материалах «Взгляд в бездну» и «Заглянуть за горизонт».

Андрей Фельдман