Магнитные поля способствуют формированию двойных звёзд и слиянию чёрных дыр

Фото из открытых источников

Звезды образуются в результате прямого коллапса газа в гигантских молекулярных облаках, создавая ядра этих облаков. Это не единичный процесс; в этих ядрах образуются множественные звезды. Значительное число таких звезд, по крайней мере в нашей Галактике, в конечном итоге оказываются гравитационно связанными друг с другом в виде двойных звезд.

Некоторые двойные звёзды расположены очень близко друг к другу, совершая обороты за считанные часы. Наблюдения показывают, и теория это подтверждает, что такие звёзды не могли образоваться так близко друг к другу и, должно быть, мигрировали навстречу друг другу. Но как им удалось оказаться так близко, до сих пор оставалось неясным для астрофизиков.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, дано объяснение, которое распространяется и на двойные черные дыры. Ведущим автором является Томоаки Мацумото из Университета Хосэй в Токио.

«Распад орбиты двойных систем — это критически важный процесс для понимания эволюции массивных двойных черных дыр (МДЧД) и процесса звездообразования в двойных системах», — пишут исследователи. В этой работе исследователи использовали трехмерные гидродинамические модели для моделирования того, как двойная система аккрецирует газ из окружающей оболочки. Они описывают это как «аналогично коллапсу ядер молекулярных облаков в контексте звездообразования в двойных системах».

Результаты моделирования также затрагивают самую большую проблему в нашем понимании слияний черных дыр. Она касается орбитального распада и того, как эти слияния страдают от так называемой «проблемы последнего парсека». Хотя мы знаем, что черные дыры сливаются, астрофизики не могут объяснить, как они приближаются друг к другу достаточно близко, чтобы это произошло. Они понимают, как происходит спиральное сближение, но не понимают, как черные дыры преодолевают последний парсек и сливаются.

Угловой момент — это барьер, создающий проблему последних парсеков. В двойной системе тела должны сбросить этот момент, чтобы приблизиться друг к другу на близкое расстояние. На более широких орбитах трение со звездным фоном сбрасывает момент, позволяя телам сближаться. По мере сближения тел отдельные звезды или газ позволяют двойным системам сбрасывать момент. Но как только тела оказываются близко друг к другу, этого недостаточно. Без способа избавиться от большего углового момента тела устремляются внутрь, а затем движутся по эллиптической траектории наружу. Они никогда не смогут достичь тесных орбит, наблюдаемых у некоторых двойных звезд, или слиться, как в случае черных дыр.

До сих пор было сложно понять, как пара черных дыр теряет достаточно углового момента, чтобы преодолеть расстояние в один парсек, разделяющее их.

Эти модели, хотя и также были направлены на двойные звезды, дают ответ. Они показывают, что двойная система испускает два типа выбросов или струй. Один тип исходит из каждого из околозвездных дисков, а другой — из околодвойного диска (ОДД). Модели также показывают, что внутри ОДД возбуждается магниторотационная неустойчивость.

В целом, результаты моделирования показывают, что выбросы/струи в сочетании с магнито-ротационной неустойчивостью уменьшают угловой момент двойной системы. Эта потеря углового момента позволяет паре объектов сближаться, а в случае черных дыр — в конечном итоге сливаться.

Магнитные поля играют важную роль в этом процессе, и само по себе это не является новым открытием. «Одним из ключевых процессов, способствующих уменьшению орбиты, является перенос углового момента, в котором магнитные поля выступают в качестве мощного фактора», — пишут авторы. Но предыдущие исследования показали, что эти магнитные поля ограничены областью околодвойного диска.

В данной статье предлагается новый сценарий. Моделирование включает в себя не только магнитные поля внутри диска, но и межзвездные магнитные поля газового облака.

«Эти магнитные процессы эффективно переносят угловой момент в газе, окружающем двойную систему, и тем самым приводят к распаду орбиты, в то время как чисто гидродинамическая модель демонстрирует расширение орбиты», — пишут авторы.

Примечательно, что они также моделировали системы с нулевым магнитным полем, и в этих симуляциях двойные объекты отталкивались друг от друга на большее расстояние. Без магнитных полей система не могла сбросить достаточное количество углового момента.

Полученные результаты распространяются и на слияния галактик, где две черные дыры также сливаются в одну. Благодаря учету магнитных полей пара черных дыр преодолела проблему, связанную с конечными парсеками. «Соответствующим образом масштабируя эти численные результаты, мы предлагаем новый механизм слияния массивных двойных черных дыр (МДЧД) в течение времени Хаббла, преодолевая «узкие места», возникающие на расстояниях, близких к конечным парсекам», — пишут авторы.

Один из недостатков касается времени выполнения моделирования. Для завершения моделирования потребовались бы огромные вычислительные мощности, и хотя оно проводилось на суперкомпьютерах, даже у них есть свои ограничения. «Хотя моделирование не достигает долговременного стационарного состояния, качественное различие между намагниченной и ненамагниченной моделями сохраняется на протяжении нескольких орбитальных периодов», — пишут исследователи. «Это говорит о том, что магнитные эффекты играют важную роль в эволюции орбиты».