Общая теория относительности Эйнштейна говорит, что независимо от того, что потребляет черная дыра, ее внешние свойства зависят только от ее массы, вращения и электрического заряда. Все остальные подробности о рационе дыр остаются неизвестными. Астрофизики причудливо называют это гипотезой без волос (У черных дыр, как говорят, «нет волос»).

Однако у этой гипотезы есть потенциально опасная угроза. Черные дыры могут родиться с сильным магнитным полем или получить его, поедая намагниченный материал. Такое поле должно быстро исчезнуть, чтобы гипотеза об отсутствии волос была верна. Но настоящие черные дыры не существуют изолированно. Они могут быть окружены плазмой — газом, который настолько возбужден, что электроны отделяются от их атомов, — которая может поддерживать магнитное поле, потенциально опровергая это предположение.

Используя суперкомпьютерное моделирование черной дыры, охваченной плазмой, исследователи из Центра вычислительной астрофизики (CCA) Института Флэтайрон в Нью-Йорке, Колумбийского университета и Принстонского университета обнаружили, что гипотеза об отсутствии волос верна. Команда сообщает о своих выводах 27 июля в Physical Review Letters.

«Гипотеза об отсутствии волос — краеугольный камень общей теории относительности», — говорит соавтор исследования Барт Рипперда, научный сотрудник CCA и постдокторант из Принстона. «Если у черной дыры есть долгоживущее магнитное поле, то гипотеза об отсутствии волос нарушается. К счастью, физика плазмы пришла к решению, которое спасло гипотезу об отсутствии волос от несостоятельности».

Моделирование, проведенное командой, показало, что силовые линии магнитного поля вокруг черной дыры быстро разрываются и повторно соединяются, создавая заполненные плазмой карманы, которые запускаются в космос или падают в пасть черной дыры. Исследователи сообщают, что этот процесс быстро истощает магнитное поле и может объяснить вспышки, наблюдаемые возле сверхмассивных черных дыр.

«Теоретики не думали об этом, потому что они обычно помещают свои черные дыры в вакуум», — говорит Рипперда. «Но в реальной жизни часто бывает плазма, и она может поддерживать и вводить магнитные поля. И это должно соответствовать вашей гипотезе об отсутствии волос».

Рипперда был соавтором исследования с аспирантом Колумбийского университета Эшли Брансгроув и младшим научным сотрудником CCA Сашей Филипповым, который также является приглашенным исследователем в Принстоне.

Исследование, проведенное в 2011 году по этой проблеме, показало, что гипотеза об отсутствии волос оказалась под угрозой. Однако в этом исследовании эти системы рассматривались только с низким разрешением, а плазма рассматривалась как жидкость. Однако плазма вокруг черной дыры настолько разбавлена, что частицы редко сталкиваются друг с другом, поэтому рассматривать ее как жидкость — чрезмерное упрощение.

В новом исследовании ученые провели моделирование физики плазмы с высоким разрешением с помощью общерелятивистской модели магнитного поля черной дыры. В общей сложности для выполнения всех вычислений потребовалось 10 миллионов процессорных часов.

«Мы не смогли бы провести такое моделирование без вычислительных ресурсов Института Флэтайрон», — говорит Рипперда.

В результате моделирования показано, как развивается магнитное поле вокруг черной дыры. Сначала поле простирается по дуге от северного полюса черной дыры до ее южного полюса. Затем взаимодействия внутри плазмы заставляют поле раздуваться наружу. Это открытие заставляет поле разделяться на отдельные силовые линии магнитного поля, исходящие от черной дыры наружу.

Линии поля чередуются по направлению либо к горизонту событий, либо от него. Близлежащие линии магнитного поля соединяются, создавая плетеный узор из линий поля, сходящихся вместе и разделяющихся. Между двумя такими точками соединения существует зазор, заполняемый плазмой. Плазма возбуждается магнитным полем, устремляясь наружу в космос или внутрь, в черную дыру. По мере продолжения процесса магнитное поле теряет энергию и в конечном итоге исчезает.

Что важно, процесс происходит быстро. Исследователи обнаружили, что черная дыра истощает свое магнитное поле со скоростью 10 процентов от скорости света.

«Быстрое переподключение спасло от гипотезы об отсутствии волос», — говорит Рипперда.

Исследователи предполагают, что механизм, приводящий в действие наблюдаемые вспышки сверхмассивной черной дыры в центре галактики Мессье 87, можно объяснить процессом облысения, наблюдаемым при моделировании. По их словам, первоначальные сравнения между ними выглядят многообещающими, хотя необходима более надежная оценка. Если они действительно выстраиваются в линию, энергетические вспышки, вызванные магнитным пересоединением на горизонте событий черной дыры, могут быть широко распространенным явлением.