Джет из гигантской галактики M87: компьютерное моделирование объясняет наблюдения за черной дырой

Вдоль силовых линий магнитного поля частицы ускоряются настолько эффективно, что в случае M87 образуют струю размером 6000 световых лет. Предоставлено: Алехандро Крус-Осорио, Франкфуртский университет им. Гете.

Изображения из этих расчетов обеспечивают беспрецедентное совпадение с астрономическими наблюдениями и подтверждают общую теорию относительности Эйнштейна.

Галактика Мессье 87 (M87) расположена на расстоянии 55 миллионов световых лет от Земли в созвездии Девы. Это гигантская галактика с 12000 шаровых скоплений, поэтому 200 шаровых скоплений Млечного Пути кажутся скромными по сравнению с ней. Черная дыра массой шесть с половиной миллиардов солнечных масс находится в центре M87. Это первая черная дыра, для которой существует изображение, созданное в 2019 году международным исследовательским коллаборацией Event Horizon Telescope.

Эта черная дыра (M87 *) стреляет струей плазмы со скоростью, близкой к скорости света, так называемой релятивистской струей в масштабе 6000 световых лет. Огромная энергия, необходимая для питания этой струи, вероятно, происходит от гравитационного притяжения черной дыры, но как возникает такая струя и что поддерживает ее стабильность на огромном расстоянии, еще не совсем понятно.

Черная дыра M87 * притягивает вещество, которое вращается в диске по все меньшим орбитам, пока оно не будет поглощено черной дырой. Струя запускается из центра аккреционного диска, окружающего M87, и физики-теоретики из Университета Гете вместе с учеными из Европы, США и Китая теперь очень подробно смоделировали эту область.

Они использовали сложнейшее трехмерное моделирование на суперкомпьютере, в котором используется ошеломляющее количество часов ЦП на моделирование, и им приходилось одновременно решать уравнения общей теории относительности Альберта Эйнштейна, уравнения электромагнетизма Джеймса Максвелла и уравнения гидродинамики Леонард Эйлер.

Результатом стала модель, в которой значения, рассчитанные для температур, плотностей материи и магнитных полей, удивительно хорошо соответствуют тому, что было выведено из астрономических наблюдений. На этом основании ученые смогли отследить сложное движение фотонов в искривленном пространстве-времени самой внутренней области джета и преобразовать это в радиоизображения. Затем они смогли сравнить эти смоделированные на компьютере изображения с наблюдениями, сделанными с помощью многочисленных радиотелескопов и спутников за последние три десятилетия.

Доктор Алехандро Крус-Осорио, ведущий автор исследования, комментирует: «Наша теоретическая модель электромагнитного излучения и морфологии струи M87 на удивление хорошо согласуется с наблюдениями в радио, оптическом и инфракрасном спектрах. Это говорит нам о том, что сверхмассивная черная дыра M87 *, вероятно, сильно вращается и что плазма сильно намагничена в струе, разгоняя частицы до масштабов в тысячи световых лет ».

Профессор Лучано Резцолла из Института теоретической физики Университета Гете во Франкфурте отмечает: «Тот факт, что рассчитанные нами изображения так близки к астрономическим наблюдениям, является еще одним важным подтверждением того, что общая теория относительности Эйнштейна является наиболее точным и естественным объяснением существования сверхмассивных черных дыр в центре галактик. Хотя есть еще место для альтернативных объяснений, результаты нашего исследования сделали эту комнату намного меньше ».