Найдено объяснение яркого кольца на снимке черной дыры

Ученые Университета Гренобль-Альпы и Национального центра научных исследований (CNRS) во Франции, Тринити-колледжа в Дублине и Мэрилендского университета в США смоделировали кольцо плазмы вокруг черной дыры, чтобы объяснить ее яркое сияние на снимках сверхмассивных черных дыр M87* и Стрельца A*, полученных с помощью Event Horizon Telescope (EHT).

Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters. Кратко о научной работе рассказывает издание Physics.

Наблюдения демонстрируют, что ярко сияющее кольцо, запечатленное EHT, формируется синхротронным излучением, которое испускают частицы, движущиеся с околосветовой скоростью в сильном магнитном поле, пронизывающем горизонт событий черной дыры. Это поддерживает модель, согласно которой магнитные поля поддерживаются токами, возникающими при аккреции вещества, и, в свою очередь, не дают веществу падать на черную дыру со скоростью свободного падения, сильно задерживая его. Таким образом, образуется магнитно-замкнутый диск (англ. magnetically arrested disk, MAD), в котором большая доля вещества преобразуется в световую энергию.

В то же время механизмы, которые вызывают нагрев плазмы и ускорение частиц в магнитных полях около черной дыры, остаются неизученными. Авторы предположили, что энергия извлекается из магнитного поля, пронизывающего плазму. Когда линии, связанные с этим полем, разрываются, а затем снова соединяются, что известно под названием магнитного перезамыкания, энергия магнитного поля преобразуется в кинетическую энергию, которая затем излучается в виде фотонов.

Исследователи разработали модель динамики частиц плазмы и ее магнитных полей, рассматривая передачу энергии между частицами и полями. Модель учитывает все токи, протекающие в плазме, а также общие релятивистские эффекты, которые не учитывались в предыдущих исследованиях.

Результаты моделирования показали, что линии магнитного поля вблизи черной дыры постоянно находятся в движении, изгибаясь, разделяясь и снова соединяясь, когда они проходят через плазму и взаимодействуют с ее частицами. Возбужденная плазма испускает радиоволны, которые на изображении должны образовывать кольцевидные структуры, интенсивность которых колеблется со временем. В случае сверхмассивной черной дыры, такой как M87*, прогнозируется, что «горячие точки» плазмы будут иметь радиус орбиты, примерно в три раза превышающий радиус черной дыры, и период обращения примерно 5 дней.