Symulacje pokazują, że silnie namagnesowane gwiazdy, zapadając się w czarne dziury, przekazują swoje pola magnetyczne otaczającemu je dyskowi materii.
Czarne dziury są jednymi z najbardziej enigmatycznych obiektów gwiazdowych. Choć najbardziej znane są z tego, że pochłaniają swoje otoczenie w grawitacyjnej otchłani, z której nic nie może uciec, mogą również wystrzeliwać potężne strumienie naładowanych cząstek, co prowadzi do wybuchowych eksplozji promieni gamma, które w ciągu zaledwie kilku sekund mogą uwolnić więcej energii niż nasze Słońce wyemituje przez całe życie. Aby doszło do tak spektakularnego wydarzenia, czarna dziura musi posiadać potężne pole magnetyczne. Jednak pochodzenie tego magnetyzmu od dawna pozostaje tajemnicą.
Wykorzystując obliczenia dotyczące formowania się czarnych dziur, naukowcy z Instytutu Flatiron w Nowym Jorku i ich współpracownicy w końcu znaleźli źródło tych pól magnetycznych: zapadające się gwiazdy macierzyste czarnych dziur. Badacze opublikowali swoje wyniki 18 listopada 2024 roku w czasopiśmie „The Astrophysical Journal Letters”.
Czarne dziury mogą powstać po eksplozji gwiazdy jako supernowej, pozostawiając po sobie gęste jądro zwane gwiazdą protoneutronową.
Gwiazdy protoneutronowe są matkami czarnych dziur, ponieważ gdy się zapadają, rodzi się czarna dziura. Obserwujemy, że w miarę formowania się tej czarnej dziury otaczający ją dysk protoneutronowy „przypina” swoje linie magnetyczne do czarnej dziury – powiedział Ore Gottlieb, pierwszy autor badania i pracownik naukowy Centrum Astrofizyki Obliczeniowej (Center for Computational Astrophysics, CCA) Instytutu Flatiron. To bardzo ekscytujące, że w końcu rozumiemy tę fundamentalną właściwość czarnych dziur i sposób, w jaki zasilają one rozbłyski gamma – najbardziej świetlne eksplozje we Wszechświecie.
Tajemnica magnetyzmu
Początkowo zespół chciał modelowac podróż gwiazdy przez życie – od narodzin, przez kolaps, aż do powstania czarnej dziury. Dzięki symulacjom badacze planowali zbadać wypływy z czarnej dziury, takie jak strumienie, które generują rozbłyski gamma. Zespół Gottlieba napotkał jednak problem z modelami.
Nie byliśmy pewni, jak modelować zachowanie tych pól magnetycznych podczas zapadania się gwiazdy neutronowej do czarnej dziury – powiedział Gottlieb. Było to więc pytanie, nad którym zacząłem się zastanawiać po raz pierwszy.
Istniało kilka teorii dotyczących czarnych dziur i ich magnetyzmu, ale żadna z nich nie wydawała się pasować, jeżeli wziąć pod uwagę moc strumieni czarnej dziury i rozbłysków gamma.
Wcześniej sądzono, że pola magnetyczne zapadających się gwiazd także zapadają się w czarną dziurę – powiedział Gottlieb. Podczas tego zapadania się linie pola magnetycznego stają się silniejsze, ponieważ są ściskane, więc gęstość pól magnetycznych staje się większa. Problem z tym wyjaśnieniem polegał na tym, że silny magnetyzm w gwieździe powoduje, że jej rotacja spowalnia. A bez szybkiej rotacji nowo narodzona czarna dziura nie może utworzyć dysku akrecyjnego – przepływu gazu, plazmy, pyłu i cząstek wokół czarnej dziury – i nie może wytwarzać strumieni i rozbłysków gamma, które zaobserwowaliśmy. Wygląda więc na to, że koncepcje te wzajemnie się wykluczają. Do powstania strumieni potrzebne są dwie rzeczy: silne pole magnetyczne i dysk akrecyjny. Jednak pole magnetyczne uzyskane przez taką kompresję nie utworzy dysku akrecyjnego, a jeżeli magnetyzm zmaleje do punktu, w którym dysk może się uformować, to nie będzie wystarczająco silny, aby wytworzyć strumienie.
Oznaczało to, że działo się coś jeszcze i naukowcy postanowili dowiedzieć się, co to było, udając się bezpośrednio do źródła – do rodzica czarnej dziury.
Magnetyczny rodzic czarnej dziury: gwiazda neutronowa
Naukowcy zdali sobie sprawę, że być może wcześniejsze symulacje zapadających się gwiazd neutronowych nie dawały pełnego obrazu.
Wcześniejsze symulacje uwzględniały jedynie izolowane gwiazdy neutronowe i izolowane czarne dziury, które tracą cały magnetyzm podczas kolapsu. Odkryliśmy jednak, że gwiazdy neutronowe mają własne dyski akrecyjne, podobnie jak czarne dziury – powiedział Gottlieb. Pomysł jest taki, że być może dysk akrecyjny może uratować pole magnetyczne gwiazdy neutronowej. W ten sposób powstanie czarna dziura z tymi samymi liniami pola magnetycznego, które oplatały gwiazdę neutronową.
Obliczenia zespołu wykazały, że gdy gwiazda neutronowa zapada się, zanim całe jej pole magnetyczne zostanie pochłonięte przez nowo powstałą czarną dziurę, jej dysk jest „dziedziczony” przez czarną dziurę, a jej linie pola magnetycznego zostają zakotwiczone w czarnej dziurze.
Przeprowadziliśmy obliczenia dla typowych wartości, które spodziewamy się zaobserwować w tych układach – i w większości przypadków skala czasowa formowania się dysku czarnej dziury jest krótsza niż skala czasowa utraty magnetyzmu przez czarną dziurę – powiedział Gottlieb. Tak więc dysk umożliwia czarnej dziurze „odziedziczenie” pola magnetycznego po swojej matce – gwieździe neutronowej.
Implikacje dla całego kosmosu
Gottlieb jest podekscytowany nowym odkryciem nie tylko dlatego, że rozwiązuje ono długoletnią tajemnicę, ale także dlatego, że otwiera możliwości badania kolejnych badań strumieni.
To badanie zmienia sposób, w jaki myślimy o tym, jakie typy układów mogą wspierać formowanie się strumieni. Jeżeli wiemy, że dyski akrecyjne implikują magnetyzm, to teoretycznie wszystko, czego potrzeba, to wczesna forma dysku, aby zasilić strumienie – powiedział. Myślę, że teraz, gdy to wiemy, interesujące byłoby dla nas ponowne przemyślenie wszystkich powiązań między populacjami gwiazd a formowaniem się strumieni.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- We Finally Know Where Black Holes Get Their Magnetic Fields: Their Parents
- She's Got Her Mother's Hair: Unveiling the Origin of Black Hole Magnetic Fields through Stellar to Collapsar Simulations
Źródło: Simons Foundation
Na ilustracji: Wizja artystyczna szybko wirującego dysku akrecyjnego czarnej dziury i powstającego w wyniku tego strumienia napędzanego czarną dziurą. Źródło: Gottlieb i inni (2024); Lucy Reading-Ikkanda, Simons Foundation
