Кип Торн - Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна

Каким образом черная дыра и ее диск образуют две противоположно направленные струи? На удивление просто, как догадались в середине 1970-х годов Блэндфорд, Рис и Линден-Белл из Кембриджского университета. Существует четыре возможных способа образования струй, и каждый из них может работать.

Во-первых, Блэндфорд и Рис поняли, что диск может быть окружен холодным газовым облаком (рис. 9.7). Ветер, дующий с нижней и верхней поверхности диска (такой же ветер дует с поверхности Солнца), может создать внутри окружающего холодного газа горячий газовый пузырь. Затем горячий газ может пробить устья в нижней и верхней оболочке холодного облака и вырваться наружу. Так же как сдавленная насадка на садовом шланге создает тонкую быструю струю, устья в холодном облаке собирают в струи вытекающий раскаленный газ. Направления струй будет зависеть от положения устий. Если холодное облако вращается вокруг той же оси, что и черная дыра, то наиболее вероятные положения находятся на общей оси вращения, т. е. на прямой, перпендикулярной плоскости внутренней части аккреционного диска — устья в этих местах будут образовывать струи, направление которых будет закреплено гироскопическим вращением черной дыры.

Во-вторых, поскольку диск весьма горяч, его внутреннее давление очень велико, и это давление должно раздувать его пока он не станет очень толстым (рис. 9.76). Как показал Линден-Белл, в этом случае орбитальное движение газа диска вызовет центробежные силы, которые сформируют на верхней и нижней поверхности диска подобные водоворотам воронки. Эти воронки полностью аналогичны тем, которые иногда образуются, когда вода вытекает через сливное отверстие ванны. При этом черная дыра подобна сливному отверстию, а газ диска — воде. Поверхность этих воронок-водоворотов из-за трения газа должна быть настолько горячей, что они сами должны порождать ветер, а воронки будут собирать этот ветер в струи — рассуждал Линден-Белл. Направление струй будет тем же, что и у воронок, которые, в свою очередь, твердо зафиксированы на оси гироскопическим вращением.

В-третьих, как представлялось Блэндфорду, магнитные силовые линии, захватываемые диском и застревающие в нем, будут вынуждены под действием орбитального движения диска круг за кругом вращаться вокруг черной дыры (рис. 9.1 в). Вращающиеся силовые линии примут форму спиралей, расходящихся вверх и в стороны (или в стороны и вниз). Электрические силы должны удерживать раскаленный газ (плазму) на вращающихся силовых линиях, поскольку плазма может двигаться лишь вдоль силовых линий, но не поперек них. Поскольку силовые линии вращаются, центробежные силы должны выталкивать плазму наружу вдоль силовых линий, образуя две намагниченные струи, одна из которых выстреливает в стороны и вверх, а другая — в стороны и вниз. И опять-таки направление струй будет строго привязано к вращению черной дыры.

9.7. Четыре способа, с помощью которых черная дыра или ее аккреционный диск могут обеспечивать энергией парные струи, (а) Ветер с диска выдувает пузырь в окружающем вращающемся газовом облаке; раскаленный газ пузыря пробивает в облаке вдоль оси вращения устья, и из них вырываются струи раскаленного газа. ( б) Диск под действием огромного внутреннего жара раздувается, и поверхность раздувшегося вращающегося диска формирует две воронки, которые собирают ветер с поверхности диска в две струи, (в) Магнитные силовые линии, захваченные диском, вовлекаются в его орбитальное вращение; при вращении вдоль магнитных силовых линий выбрасывается наружу вверх и вниз плазма, и образуются две намагниченные струи, (г) Магнитные силовые линии пронизывающие черную дыру, вовлекаются во вращение искривлением пространства вокруг черной дыры и вращаясь эти силовые линии выбрасывают плазму вверх и вниз, образуя две намагниченные струи

Четвертый способ образования струй интереснее остальных и требует больших объяснений. В этом четвертом способе черная дыра пронизывается магнитными силовыми линиями, как показано на рис. 9.7 г.

При вращении черной дыры она втягивает в свое вращение и силовые линии, заставляя их отбрасывать плазму вверх и вниз, точно так же как и в третьем способе, образовывая две струи. Струи выстреливают вдоль оси вращения, и их направление поэтому прочно привязано к гироскопическому вращению черной дыры. Этот способ был придуман Блэндфордом вскоре после защиты им диссертации в Кембридже, вместе с аспирантом Романом Знаеком, и потому получил название процесс Блэндфорда — Знаека.