磁気リコネクションは、その磁場のブラックホールを指数関数的に素早く奪いました

ビデオ: 磁気リコネクションは、その磁場のブラックホールを指数関数的に素早く奪いました

Отличия серверных жестких дисков от десктопных
ビデオ: 手のひらの物質に生まれるブラックホール 2023, 1月
磁気リコネクションは、その磁場のブラックホールを指数関数的に素早く奪いました
磁気リコネクションは、その磁場のブラックホールを指数関数的に素早く奪いました
Anonim
Image
Image

コンピュータシミュレーションを使用して、アメリカの物理学者は、磁気リコネクションのために、高度に磁化されたプラズマに囲まれたカーブラックホールがその磁場を指数関数的に失うことを示しました。相対論的プラズマと抵抗性電磁流体力学の動力学の方法の結果は、ブラックホールが質量、角運動量、および電荷によってのみ特徴付けられるというブラックホール脱毛定理と一致しています。さらに、強い磁場が失われると、ブラックホールの磁気圏から硬X線が発生する、と科学者たちは物理レビューレターに書いています。

一般相対性理論では、すべてのブラックホールはブラックホール脱毛定理に従うと一般に認められています。2つのブラックホールの質量、電荷、角運動量が同じである場合、それらを互いに区別することはできません。それらの前駆体と吸収物質に関する他のすべての情報事象の地平線を越​​えてオブザーバーから隠されています。

磁化された星の崩壊から生まれたブラックホールは、事象の地平線を貫通する磁場で生まれます。また、ブラックホールは、磁化された中性子星と合体する結果として、それ自身の磁場を獲得することができます。このため、ブラックホールには磁力線の形の毛がありますが、長くはありません。真空中では、整数スピンの質量のない磁場が急速に蒸発し、ブラックホールは「禿げた」ままになります。

しかし、磁化されたブラックホールが真空中で見つかることはめったにありません。中性子星の崩壊の結果としてブラックホールが形成された場合、プラズマは必然的にその周りに存在するか、プラズマは電子の生成の結果として形成されます。事象の地平線近くの陽電子ペア。導電性の高いプラズマが存在するため、ブラックホール脱毛定理の条件は根本的に変化します。ブラックホールの周りの真空の代わりに、磁場を保持して事象の地平線から飛び出すのを防ぐことができる物質が現れます。この場合、磁場が失われる可能性のある唯一のシナリオは、磁力線の再接続であり、その結果、力線が伸び、壊れ、プラズマを含む磁気ループの形で再接続します。結果として生じるプラズモイドは、事象の地平線を超えて落下するか、相対論的速度でブラックホールから飛び去ります。この場合、磁場のエネルギーは粒子と放射線の運動エネルギーに変換されます。 2011年に、このプロセスは、衝突プラズマ(著者が誤って衝突のないプラズマ物理学を無視した)の場合に磁化されたブラックホールをシミュレートしたときに、低い数値分解能で観察されました。これは、磁場の過度に長い消滅と無毛定理の違反につながりました。

コロンビア大学のAshleyBransgroveが率いる科学者は、以前の研究のエラーを考慮し、粒子速度論のより正確な数値シミュレーションを使用しました-GRPIC(一般相対論的粒子-インセル)および電磁流体力学-GRRMHD(一般相対論的抵抗磁気流体力学)カーブラックホールによる磁場のプロセス損失を研究します。

初期状態として、物理学者は、プラズマに囲まれた中性子星をすでに吸収しているが、まだ磁場を失い始めていないと仮定して、双極子磁場を持つブラックホールを選択しました。両方のモデリング方法は、磁気圏の進化がいくつかの段階で起こることを示しました:最初に、エルゴ球のプラズマはブラックホールの周りを回転し、その磁場を引きずり、ポロイダル磁場(その線は子午線に沿って走る)を生成します。ジンバルルールに。ポロイダル磁場が膨張すると、赤道で力線が伸びて太くなります。その結果、力線のパターンは2つの磁気単極子(分割単極子場)の磁場に似ています-北半球では、線は南のブラックホールからブラックホールに直接向けられています。トロイダル磁場(その線は緯線に沿って方向付けられています)も、2つの半球で反対方向に向けられています。マクスウェルの最初の方程式に従った磁場のそのような構成は、赤道面に電流シートを生じさせ、それに沿って磁場の磁気リコネクションが発生します。

Image
Image

左から右へ:平均半径方向プラズマ速度、平均天頂(θ)速度、ブラックホール磁気圏の磁場の方位角(ϕ)成分。緑の線はポロイダル磁力線を表します

シミュレーションデータによると、磁気リコネクションは、いわゆる停滞面の近くに初めて現れ、その外側ではプラズマがブラックホールから移動し、内側ではブラックホールに吸収されます。したがって、停滞表面の外側で生まれたプラズモイドは、光速に近い速度で現在のシートに沿って飛び去りますが、内側で生まれたプラズモイドは、光速の10分の1未満の速度で、事象の地平線に向かって移動します。 GRPICモデルの磁気リコネクションの速度は光速の10分の1に等しく、GRRMHDの再接続の速度の10倍であることが判明しました。このため、GRPICのプラズモイドは、相対論的な速度で廃棄される前に、GRRMHDよりも成長する時間があります。この不一致は、単純化された粒子拡散モデルがGRRMHDで使用され、GRPICのプラズマが第一原理からモデル化されているという事実によるものです。

Image
Image

GRPIC(上)およびGRRMHD(下)モデルのブラックホール磁気圏。色はプラズマ磁化を表します。

科学者たちはまた、3次元モード(GRRMHD2)で電磁流体力学モデリングを実施しました。磁場再結合の軸対称像はもはや観察されませんでした。3次元プラズモイドは、2次元プラズモイドよりも複雑なトポロジーを持つ有限長のもつれた管に似ています。

Image
Image

左:磁気圏の3Dモデリング、緑色の管は事象の地平線を貫通する磁力線であり、赤色の管は磁力線を再接続しています。右:磁気圏の2Dスライス、色はプラズマの磁化を表します

どちらのモデルでも、実験開始時の磁場の強さに関係なく、ブラックホール表面を通る磁束は指数関数的に急速に減少します(強く磁化されたプラズマと小さなラーモア半径の場合)-これは、ブラックホール脱毛定理の実現。物理学者はまた、ブラックホールの最終的な電荷がゼロであることを発見しました。つまり、減磁の結果、ブラックホールは再びカーブラックホールになりました。

Image
Image

GRRMHD(遅い指数関数的減衰)およびGRPIC(指数関数的減衰)モデルにおける、真空(べき法則減衰)の事象の地平線での磁束の時間依存性

科学者たちは、磁力線が再接続されたときに放射線を発見し、無限遠で観測者が見た総散逸力を計算しました。予想通り、100万ガウスを超える磁場と高いプラズマ磁化の限界では、ほとんどすべての磁気エネルギーが硬X線範囲の放射線に変換されます。これは外部からは銀河のマグネターフラッシュのように見える場合があります。著者らはまた、ブラックホールの「はげかかった」間に、コヒーレントな電波放射、および巨大なプラズモイドとプラズマ流との衝突から生じるメーザー放射が観察される可能性があることにも注目しています。

以前、私たちは科学者が重力波を使用して無毛定理をどのように証明したかについて書き、また記事「レッツゴーインザ光の方向無限大。」

トピックによって人気があります