В общей теории относительности принято считать, что все черные дыры подчиняются теореме об отсутствии волос: если у двух черных дыр одинаковые масса, заряд и угловой момент, то их невозможно отличить друг от друга — вся остальная информация об их прародителях и поглощенной материи скрыта от наблюдателя за горизонтом событий.

Черные дыры, рожденные в результате коллапса намагниченных звезд, рождаются с магнитным полем, пронизывающим горизонт событий. Также черная дыра может приобрести собственное магнитное поле в результате слияния с намагниченной нейтронной звездой. Из-за этого у черной дыры появляются волосы в виде силовых линий магнитного поля, но ненадолго — в вакууме любое безмассовое поле с целым спином быстро улетучивается, оставляя черную дыру «лысой».

Однако намагниченные черные дыры редко находятся в вакууме: если черная дыра сформировалась в результате коллапса нейтронной звезды, вокруг нее будет неизбежно присутствовать плазма, либо плазма образуется в результате рождения электрон-позитронных пар возле горизонта событий. Из-за присутствия высокопроводящей плазмы условия в теореме об отсутствии волос радикально меняются — вместо вакуума вокруг черной дыры появляется материя, способная удерживать магнитное поле и не давать ему соскочить с горизонта событий. В таком случае единственный возможный сценарий потери магнитного поля — это перезамыкание магнитных линий, в результате которого силовые линии вытягиваются, разрываются и соединяются вновь в виде магнитных петель, содержащих плазму. Образовавшиеся плазмоиды либо падают за горизонт событий, либо улетают от черной дыры с релятивистскими скоростями. При этом энергия магнитного поля переходит в кинетическую энергию частиц и излучение. В 2011 году этот процесс наблюдали при моделировании намагниченной черной дыры в случае столкновительной плазмы (авторы ошибочно пренебрегли бесстолкновительной физикой плазмы) и в низком численном разрешении. Это привело к чрезмерно долгому угасанию магнитного поля и нарушению теоремы об отсутствии волос.

Ученые под руководством Эшли Брансгроува (Ashley Bransgrove) из Колумбийского университета учли ошибки предыдущего исследования и использовали более точные численные моделирования кинетики частиц — GRPIC (general-relativistic particle-in-cell) и магнитогидродинамики — GRRMHD (general-relativistic resistive magnetohydrodynamics) для изучения процесса потери магнитного поля черной дырой Керра.

В качестве начального состояния физики выбрали черную дыру с дипольным магнитным полем, предполагая, что она уже поглотила нейтронную звезду, окруженную плазмой, но еще не начала терять поле. Оба метода моделирования показали, что эволюция магнитосферы проходит в несколько стадий: сначала плазма в эргосфере вращается вокруг черной дыры, увлекает за собой ее магнитное поле и продуцирует полоидальное магнитное поле (линии которого проходят вдоль меридианов) по правилу буравчика. По мере раздувания полоидального магнитного поля силовые линии вытягиваются и сгущаются у экватора. В итоге картина силовых линий напоминает поля двух магнитных монополей (split-monopole field) — в северном полушарии линии направлены прямо от черной дыры, в южном — к черной дыре. Тороидальное магнитное поле (чьи линии направлены вдоль параллелей) также противоположно направлено в двух полушариях. Подобная конфигурация магнитных полей в соответствии с первым уравнением Максвелла рождает токовый лист в плоскости экватора, вдоль которого происходит магнитное пересоединение полей.

По данным моделирования, впервые магнитное пересоединение появляется около так называемой поверхности застоя, снаружи которой плазма движется от черной дыры, а внутри — поглощается ею. Так, плазмоиды, рожденные снаружи поверхности застоя, улетают прочь вдоль токового листа со скоростью, близкой к скорости света, тогда как рожденные внутри медленно, со скоростью меньше десятой части скорости света, движутся к горизонту событий. Скорость магнитного пересоединения в модели GRPIC оказалась равной одной десятой скорости света, что превышает скорость пересоединения в GRRMHD в 10 раз. Из-за этого плазмоиды в GRPIC успевают вырасти больше, чем в GRRMHD, до того, как их отбрасывает с релятивистской скоростью. Такое расхождение вызвано тем, что в GRRMHD используется упрощенная модель диффузии частиц, а в GRPIC плазма смоделирована из первых принципов.

Также ученые провели магнитогидродинамическое моделирование в трехмерном режиме (GRRMHD2). В нем уже не наблюдалась осесимметричная картина пересоединения магнитного поля: трехмерные плазмоиды напоминают запутанные трубки конечной длины с более сложной топологией, чем у двумерных плазмоидов.

В обеих моделях магнитный поток через поверхность черной дыры уменьшается экспоненциально быстро вне зависимости от силы магнитного поля в начале эксперимента (в случае сильно намагниченной плазмы и малого ларморовского радиуса) — а это подтверждает выполнение теоремы об отсутствии волос. Также физики выяснили, что итоговый заряд черной дыры равен нулю, то есть в результате размагничивания черная дыра снова стала черной дырой Керра.

Ученые обнаружили излучение при перезамыкании магнитных линий и посчитали общую диссипативную мощность, видимую при этом наблюдателем на бесконечности. Как и ожидалось, в магнитном поле выше миллиона гауссов и в пределе высокой намагниченности плазмы почти вся магнитная энергия переходит в излучение в жестком рентгеновском диапазоне, что со стороны может выглядеть как вспышка галактического магнетара. Авторы также отмечают, что в ходе «облысения» черной дыры может наблюдаться когерентное радиоизлучение, а также мазерное излучение, возникающее в результате столкновения гигантских плазмоидов с потоками плазмы.

Ранее мы писали о том, как ученые доказали теорему об отсутствии волос с помощью гравитационных волн, а также обсудили статью «Мягкие волосы черной дыры» о поправках к классической теореме об отсутствии волос с Эмилем Ахмедовым в материале «Уйдем по направлению световой бесконечности».

Фото: Ashley Bransgrove et al. / Physical Review Letters, 2021