Могут ли черные дыры терять свои магнитные поля?

Результаты методов кинетики релятивистской плазмы и резистивной магнитогидродинамики согласуются с теоремой об отсутствии волос, согласно которой черные дыры характеризуются только массой, угловым моментом и зарядом.

Кроме того, потеря сильного магнитного поля вызывает появление жесткого рентгеновского излучения из магнитосферы черной дыры.

Общепринятая теорема об отсутствии волос

В общей теории относительности принято считать, что все черные дыры подчиняются теореме об отсутствии волос: если две черные дыры имеют одинаковую массу, заряд и угловой момент, то их нельзя отличить друг от друга – вся остальная информация об их прародителях и поглощенная материя 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 есть волосы в виде силовых линий магнитного поля, но ненадолго – в вакууме любое безмассовое поле с целочисленным спином быстро испаряется, оставляя черную дыру «лысой».

Однако намагниченные черные дыры редко встречаются в вакууме: если черная дыра образовалась в результате коллапса нейтронной звезды, плазма неизбежно будет присутствовать вокруг нее или плазма образуется в результате создания электронов. позитронные пары вблизи горизонта событий.

Из-за наличия высокопроводящей плазмы условия теоремы о безволосости радикально меняются – вместо вакуума вокруг черной дыры появляется материя, способная удерживать магнитное поле и не позволять ему прыгать за горизонт событий.

Может ли черная дыра потерять магнитное поле?

В этом случае единственно возможным сценарием потери магнитного поля является пересоединение магнитных линий, в результате чего силовые линии растягиваются, разрываются и повторно соединяются в виде магнитных петель, содержащих плазму. Образовавшиеся плазмиды либо выпадают за горизонт событий, либо улетают от черной дыры с релятивистскими скоростями.

В этом случае энергия магнитного поля преобразуется в кинетическую энергию частиц и излучения. В 2011 г. этот процесс наблюдался при моделировании намагниченной черной дыры в случае столкновительной плазмы (авторы ошибочно пренебрегли физикой бесстолкновительной плазмы) и при низком численном разрешении. Это привело к чрезмерно долгому исчезновению магнитного поля и нарушению теоремы об отсутствии волос.

Ученые под руководством Эшли Брансгроув из Колумбийского университета учли ошибки предыдущего исследования и использовали более точное численное моделирование кинетики частиц – GRPIC (общерелятивистская частица в ячейке) и магнитогидродинамика – GRRMHD (общерелятивистская резистивная магнитогидродинамика). изучить процесс 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 происходит в несколько этапов: во-первых, плазма в эргосфере вращается вокруг черной дыры, уносит ее магнитное поле и создает полоидальное магнитное поле (линии которого проходят вдоль меридианов) соответственно. к правилу кардана. По мере расширения полоидального магнитного поля силовые линии растягиваются и утолщаются на экваторе.

В результате рисунок силовых линий напоминает поля двух магнитных монополей (поле расщепленного монополя) – в северном полушарии линии направлены прямо от черной дыры, в южном – к черной дыре. Тороидальное магнитное поле черной дыры (линии которого направлены вдоль параллелей) также имеет противоположное направление в двух полушариях.

Такая конфигурация магнитных полей в соответствии с первым уравнением Максвелла порождает токовый слой в экваториальной плоскости, вдоль которого происходит магнитное пересоединение полей.

Согласно данным моделирования, впервые возникает магнитное пересоединение вблизи так называемой поверхности торможения, за пределами которой плазма движется из черной дыры, а внутри поглощается ею.

Таким образом, плазмоиды, рожденные вне поверхности торможения, улетают вместе с токовым слоем со скоростью, близкой к скорости света, а рожденные внутри медленно, со скоростью менее одной десятой скорости света, движутся к горизонту событий. . Скорость магнитного пересоединения в модели GRPIC оказалась равной одной десятой скорости света, что в 10 раз превышает скорость пересоединения в GRRMHD.

Из-за этого плазмоиды в GRPIC успевают вырасти больше, чем в GRRMHD, прежде чем они будут выброшены с релятивистской скоростью. Это несоответствие связано с тем, что в GRRMHD используется упрощенная модель диффузии частиц, а в GRPIC плазма моделируется из первых принципов.

Ученые также 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 убывает экспоненциально быстро, независимо от напряженности поля в начале эксперимента (в случае сильно намагниченной плазмы и малого ларморовского радиуса) – и это подтверждает выполнение теоремы об отсутствии волос.

Физики также выяснили, что конечный заряд черной дыры равен нулю, то есть в результате размагничивания черная дыра снова стала черной дырой Керра. Ученые обнаружили излучение при повторном соединении линий и вычислили общую диссипативную мощность, наблюдаемую наблюдателем на бесконечности.

Как и ожидалось, в магнитном поле черной дыры выше миллиона Гс и в пределе высокой намагниченности плазмы почти вся магнитная энергия преобразуется в излучение в жестком рентгеновском диапазоне, которое снаружи может выглядеть как вспышка галактического магнетара.

Авторы также отмечают, что во время «облысения» черной дыры может наблюдаться когерентное радиоизлучение, а также мазерное излучение, возникающее при столкновении гигантских плазмоидов с потоками плазмы.