Magnetisk skaldethed af sorte huller redder generel relativitetsforudsigelse

Sorte huller er ikke, hvad de spiser. Einsteins generelle relativitetsteori forudsiger, at uanset hvad et sort hul forbruger, dens ydre egenskaber afhænger kun af dens masse, rotation og elektrisk ladning. Alle andre detaljer om dens kost forsvinder. Astrofysikere kalder det lunefuldt for no-hair formodningerne. (Sorte huller, de siger, "har intet hår.")

Der er en potentielt behåret trussel mod formodningen, selvom. Sorte huller kan fødes med et stærkt magnetfelt eller opnå et ved at gumle på magnetiseret materiale. Sådan et felt skal hurtigt forsvinde for at formodningen uden hår holder. Men rigtige sorte huller eksisterer ikke isoleret. De kan være omgivet af plasma - gas, der er så energisk, at elektroner har løsnet sig fra deres atomer - som kan opretholde magnetfeltet, potentielt afkræfte formodningen.

Ved at bruge supercomputer-simuleringer af et plasma-opslugt sort hul, forskere fra Flatiron Institute's Center for Computational Astrophysics (CCA) i New York City, Columbia University og Princeton University fandt ud af, at formodningen uden hår holder. Holdet rapporterer sine resultater den 27. juli i Fysiske anmeldelsesbreve .

"No-hair-formodningen er en hjørnesten i den generelle relativitetsteori, " siger studiemedforfatter Bart Ripperda, en forskningsstipendiat ved CCA og en postdoc ved Princeton. "Hvis et sort hul har et langvarigt magnetfelt, så er no-hair formodningen overtrådt. Heldigvis kom der en løsning fra plasmafysik, der reddede formodningen uden hår fra at blive brudt."

Holdets simuleringer viste, at de magnetiske feltlinjer omkring det sorte hul hurtigt knækker og forbindes igen, skabe plasmafyldte lommer, der skyder ud i rummet eller falder ned i det sorte huls mave. Denne proces dræner hurtigt magnetfeltet og kan forklare udbrud set nær supermassive sorte huller, rapporterer forskerne.

"Teoretikere tænkte ikke på dette, fordi de normalt sætter deres sorte huller i et vakuum, " siger Ripperda. "Men i det virkelige liv, der er ofte plasma, og plasma kan opretholde og bringe magnetiske felter ind. Og det skal passe med din no-hair formodning."

En undersøgelse fra 2011 om problemet antydede, at formodningen uden hår var i problemer. Imidlertid, denne undersøgelse så kun på disse systemer i lav opløsning, og det behandlede plasma som en væske. Imidlertid, plasmaet omkring et sort hul er så fortyndet, at partikler sjældent løber ind i hinanden, så at behandle det som en væske er en overforenkling.

I den nye undersøgelse, forskerne udførte højopløselige plasmafysiksimuleringer med en generel-relativistisk model af et sort huls magnetfelt. I alt, det tog 10 millioner CPU-timer at gennemgå alle beregningerne. "Vi kunne ikke have lavet disse simuleringer uden Flatiron Institute's beregningsressourcer, " siger Ripperda.

De resulterende simuleringer viste, hvordan magnetfeltet omkring et sort hul udvikler sig. I første omgang, feltet strækker sig i en bue fra det sorte huls nordpol til dets sydpol. Derefter, interaktioner i plasmaet får feltet til at ballonere udad. Denne åbning får feltet til at opdeles i individuelle magnetfeltlinjer, der stråler udad fra det sorte hul.

Feltlinjerne skifter i retning, enten mod eller væk fra begivenhedshorisonten. Nærliggende magnetiske feltlinjer forbinder, skabe et flettet mønster af feltlinjer, der kommer sammen og deler sig. Mellem to sådanne forbindelsespunkter, der eksisterer et hul, der fyldes med plasma. Plasmaet aktiveres af magnetfeltet, sendes ud i rummet eller indad i det sorte hul. Mens processen fortsætter, magnetfeltet mister energi og visner til sidst væk.

Kritisk, processen sker hurtigt. Forskerne fandt ud af, at det sorte hul udtømmer sit magnetfelt med en hastighed på 10 procent af lysets hastighed. "Den hurtige genforbindelse reddede formodningen uden hår, " siger Ripperda.

Forskerne foreslår, at den mekanisme, der driver observerede flares fra det supermassive sorte hul i centrum af Messier 87-galaksen, kan forklares ved den skaldede proces, der ses i simuleringerne. De første sammenligninger mellem dem ser lovende ud, de siger, selvom der er behov for en mere robust vurdering. Hvis de virkelig står i kø, energiske flares drevet af magnetisk genforbindelse ved sorte huls begivenhedshorisonter kan være et udbredt fænomen.