Pola magnetyczne czarnych dziur może być dziedziczone po gwiazdach, z których powstały

To skąd się biorą pola magnetyczne czarnych dziur było od dawna zagadką dla astronomów. Ale dzięki najnowszym symulacjom badacze wskazują, że niejako dziedziczą je po gwiazdach, z których powstały.

.Chociaż są one najbardziej znane z tego, że pochłaniają swoje otoczenie w grawitacyjnej otchłani, z której nic nie może uciec, mogą również wystrzeliwać potężne strumienie naładowanych cząstek, prowadząc do wybuchowych rozbłysków gamma, które w ciągu zaledwie kilku sekund mogą uwolnić więcej energii niż nasze Słońce wyemituje przez całe swoje życie.

Aby doszło do tak spektakularnego wydarzenia, czarna dziura musi mieć silne pole magnetyczne. Jednak to, skąd bierze się ten magnetyzm, przez długi czas pozostawało tajemnicą.

Korzystając z obliczeń dotyczących powstawania tych niezwykle gęstych obiektów, naukowcy z Flatiron Institute Nowym Jorku, odkryli źródło tych pól magnetycznych – zapadające się gwiazdy macierzyste samych czarnych dziur. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie The Astrophysical Journal Letters.

Czarne dziury mogą powstawać po tym, jak gwiazda eksploduje jako supernowa, pozostawiając po sobie gęsty rdzeń zwany gwiazdą proto-neutronową.

„Gwiazdy proto-neutronowe są matkami czarnych dziur, ponieważ gdy się zapadają, rodzi się czarna dziura. Widzimy, że gdy ta czarna dziura się formuje, otaczający ją dysk gwiazdy proto-neutronowej zasadniczo przypina swoje linie magnetyczne do czarnej dziury. To bardzo ekscytujące, że w końcu rozumiemy tę fundamentalną właściwość czarnych dziur i to, w jaki sposób zasilają one rozbłyski gamma – najjaśniejsze eksplozje we Wszechświecie” – mówi Ore Gottlieb z Flatiron Institute.

Początkowo badacze mieli na celu modelowanie podróży gwiazdy od narodzin, poprzez kolaps, aż do powstania czarnej dziury. Dzięki symulacjom planowali zbadać wypływy z czarnej dziury, takie jak dżety generujące rozbłyski gamma. Napotkali jednak problem z modelami.

„Nie byliśmy pewni, jak modelować zachowanie tych pól magnetycznych podczas zapadania się gwiazdy neutronowej w czarną dziurę” – twierdzi Gottlieb.

Istniało kilka teorii na temat tego jak powstają pola magnetyczne czarnych dziur, ale żadna z nich nie wydawała się pasować, gdy wzięto pod uwagę moc dżetów i rozbłysków gamma.

„Uważano, że pola magnetyczne zapadających się gwiazd zapadają się w czarną dziurę. Podczas tego zapadania się linie pola magnetycznego stają się silniejsze, ponieważ są ściskane, więc gęstość pól magnetycznych staje się większa” – tłumaczy Gottlieb.

Zdaniem astronomów, problem z tym wyjaśnieniem polegał na tym, że silny magnetyzm w gwieździe powodował, że traciła ona rotację. A bez niej nowo narodzona czarna dziura nie może utworzyć dysku akrecyjnego – przepływu gazu, plazmy, pyłu i cząstek wokół niej – i nie może wytwarzać dżetów i rozbłysków gamma, które obserwują naukowcy.

„Wydaje się, że te dwie rzeczy wzajemnie się wykluczają. Do wytworzenia dżetów potrzebne są dwa składniki: silne pole magnetyczne i dysk akrecyjny. Ale pole magnetyczne uzyskane przez taką kompresję nie utworzyło by go, a jeśli zmniejszymy magnetyzm do punktu, w którym dysk może się uformować, nie będzie on wystarczająco silny, aby wytworzyć dżety” – podkreśla Gottlieb.

Oznaczało to, że dzieje się coś jeszcze, a naukowcy chcieli dowiedzieć co to może być. Zdali sobie sprawę, że być może wcześniejsze symulacje zapadających się gwiazd neutronowych nie dawały pełnego obrazu, tego jak powstają pola magnetyczne czarnych dziur.

„Wcześniejsze symulacje uwzględniały jedynie izolowane gwiazdy neutronowe i izolowane czarne dziury, w których cały magnetyzm jest tracony podczas kolapsu. Odkryliśmy jednak, że gwiazdy neutronowe mają własne dyski akrecyjne, podobnie jak czarne dziury. A nowy pomysł polega na tym, że być może dysk akrecyjny może uratować pole magnetyczne gwiazdy neutronowej. W ten sposób powstałaby czarna dziura z tymi samymi liniami pola magnetycznego, które owijały się wokół gwiazdy neutronowej” – zaznacza Gottlieb.

Obliczenia badaczy wykazały, że gdy gwiazda neutronowa zapada się, zanim całe jej pole magnetyczne zostanie wchłonięte przez nowo utworzony obiekt, dysk gwiazdy neutronowej zostaje odziedziczony przez czarną dziurę, a linie jej pola magnetycznego zostają zakotwiczone.

„Przeprowadziliśmy obliczenia dla typowych wartości, które spodziewamy się zaobserwować w tych układach i w większości przypadków skala czasowa tworzenia się dysku czarnej dziury jest krótsza niż skala czasowa utraty przez nią magnetyzmu. Tak więc dysk pozwala czarnej dziurze odziedziczyć pole magnetyczne po macierzystej gwieździe neutronowej” – mówi Gottlieb.

.„To badanie zmienia sposób, w jaki myślimy o tym, jakie typy systemów mogą wspierać formowanie się dżetów, ponieważ jeśli wiemy, że dyski akrecyjne wpływają na magnetyzm, to teoretycznie wszystko, czego potrzeba, to wczesne formowanie się dysku, aby zasilić dżety. Myślę, że teraz, gdy to wiemy, byłoby interesujące dla nas ponowne przemyślenie wszystkich powiązań między populacjami gwiazd a formowaniem się dżetów” – podsumowuje.

Oprac. EG