Спокойно. Астрофизики показали, как «облысение» черных дыр спасает современную физику

Черные дыры могут появиться с изначально сильным магнитным полем или получить его, «поедая» намагниченные материалы из космоса. Чтобы теорема об отсутствии волос была верна, такое поле должно быстро исчезать — настолько, что никто не сумел бы заметить разницу «до» и «после». Например, недавно мы писали об исследовании команды американских ученых, которые предположили, что черные дыры «имеют гравитационные волосы, которые можно измерить на конечных расстояниях… которые в принципе могут быть обнаружены детекторами гравитационных волн». Они даже указали на черные дыры Керра как потенциальный объект, на котором можно наблюдать эти события.

Более того, в реальности черные дыры не существует изолировано — они не висят в космосе, как елочные игрушки на дереве. Они могут быть окружены плазмой — газом, который настолько возбужден, что электроны отделяются от своих атомов, таким образом поддерживая магнитное поле.

Обнаружение волос на черных дырах — возможно, в самых экстремальных астрофизических лабораториях во Вселенной — может предоставить способ объединить наблюдения черных дыр с фундаментальной физикой, а также позволить человечеству исследовать теорию струн и квантовую гравитацию совершенно новыми способами.

Более того, это могло бы стать доказательством гипотезы, которую ученые раньше и не думали проверять на практике — существование почти экстремальных черных дыр. Это те, что достигли максимально возможного значения для их массы, спина или заряда. Правда, и опровергнуть на практике эту теорему — как минимум, с помощью нынешних гравитационных детекторов — было практически невозможно. Таким образом, на данный момент ученым только и остается, что предполагать и ждать развития технологий.

«Гипотеза об отсутствии волос — краеугольный камень общей теории относительности», — говорит Барт Рипперда, научный сотрудник Центра вычислительной астрофизики Института Флэтайрон. Моделируя плазму черных дыр на суперкомпьютерах, он вместе с коллегами Эшли Брэнсроувом и Александром Филипповым выяснили, что теорема об отсутствии волос верна — и никаких революций в этой науке (как минимум, с этой стороны) не планируется. «К счастью, физика плазмы пришла к решению, которое спасло гипотезу об отсутствии волос от несостоятельности», — приводит слова ученого пресс-релиз.

Их моделирование показало, что силовые линии магнитного поля вокруг черной дыры быстро соединяются и разрываются в постоянном танце. Таким образом создаются заполненные плазмой карманы, которые попадают в черную дыру — именно так можно объяснить вспышки, наблюдаемые возле сверхмассивной черной дыры (которые имеют массу в 5−10 раз больше Солнца) в центре галактики Мессье 87. Во время симуляций ученые назвали это процессом «облысения».

Моделирование магнитного поля (зеленые линии) и плазмы вокруг черной дыры (слева). Первоначально силовые линии проходят от одного магнитного полюса черной дыры к другому (красная линия). Со временем силовые линии раздуваются, начинают разрываться и повторно соединяться. Этот процесс создает очаги плазмы, которые «выстреливают» в космос или «поедаются» черной дырой.

Проблема предыдущих исследований состояла в том, что ученые обычно помещали свои черные дыры в вакуум, однако на самом деле эти небесные тела окружены плазмой, которая и поддерживает магнитное поле. А вот здесь нужно немного визуализировать — или включить видео.

Сначала силовое поле проходит по дуге от южного к северному полюсу черной дыры. Взаимодействие электронов внутри плазмы заставляет это поле раздуваться наружу, в результате чего силовые линии магнитного поля распадаются на отдельные, после чего соединяются обратно. Между двумя точками соединения существует зазор, который заполняется плазмой. Магнитное поле подпитывает ее, из-за чего газ устремляется в космос и внутрь черной дыры. Во время этого процесса магнитное поле теряет энергию и в конечном итоге исчезает.

Таким образом теорема об отсутствии волос подтверждается, ведь магнитное поле развивается и исчезает вокруг черной дыры, а не внутри нее. Кроме того, весь процесс происходит достаточно быстро — около 10% от скорости света.

Ученые не утверждают, что подтвердили теорему об отсутствии волос. Несмотря на их уверенность в правильности симуляции, они понимают, что этому трактованию необходима дополнительная проверка. Ведь если все действительно так, то подобные вспышки, вызванные магнитными соединениями, могут быть широко распространенным явлением.