Wirujące czarne dziury akreujące zmagnetyzowaną plazmę mogą gromadzić wielkie strumienie magnetyczne na swoich horyzontach. Takie strumienie magnetyczne przekształcają energię obrotową czarnej dziury w strumienie Poyntinga (gęstość pędu elektromagnetycznego), napędzając wypływy, które stopniono przyspieszają i kolimują do relatywistycznych dżetów (Blandford i Znajek 1977). Strumienie magnetyczne na czarnej dziurze muszą być podtrzymywane przez ciśnienie przepływu akrecyjnego, co implikuje mechanizm saturacji, w którym nadmiar strumienia magnetycznego jest wyrzucany w postaci erupcji, co jest charakterystyczną cechą akrecji w stanie MAD (Magnetycznie Aresztowany Dysk) (Tchekhovskoy et al. 2011). Niedawne symulacje numeryczne GRMHD (general relativistic magnetohydrodynamical symulations) o niezwykle wysokiej rozdzielczości w 3D wykazały, że takie erupcje są napędzane przez relatywistyczną rekoneksję magnetyczną (Ripperda et al. 2022).
Niniejszy projekt, początkowo przydzielony przez dr. hab. Krzysztofa Nalewajkę (CAMK PAN) panu Mateuszowi Kapuście, studentowi OAUW, we współpracy z prof. Agnieszką Janiuk z CFT PAN, miał na celu opisanie mechanizmu inicjowania erupcji strumienia magnetycznego z czarnych dziur, tzn. inicjacji relatywistycznej rekoneksji w magnetycznie nasyconym przepływie akrecyjnym. W tym celu przeprowadziliśmy 3-wymiarowe symulacje GRMHD (magnetohydrodynamika w ogólnej teorii względności) przy użyciu kodu Athena++ i zbadaliśmy magnetyczne połączenia przepływu akrecyjnego z horyzontem czarnej dziury, poprzez całkowanie tysięcy linii pola magnetycznego oraz ich wizualizację w 3D dla setek kroków czasowych (animacje pod linkiem poniżej). Odkryliśmy, że podczas gdy większość przepływu akrecyjnego jest magnetycznie odłączona od horyzontu, podwójnie połączone pętle powstają chaotycznie w wewnętrznym przepływie akrecyjnym, wprowadzając silnie zmagnetyzowaną plazmę, która w niektórych przypadkach jest w stanie inicjować rekoneksję oraz erupcję strumienia magnetycznego. Praca ta zawiera wiele dodatkowych spostrzeżeń dotyczących: charakteru magnetycznie nasyconego przepływu akrecyjnego (raczej magnetycznie skanalizowany, niż aresztowany czy zdławiony), typowego kształtu odłączonych linii pola magnetycznego, istotnej roli nieaktywnej równikowej warstwy prądowej, dodatkowych efektów w przypadku przepływu akrecyjnego wirującego przeciwnie do czarnej dziury (tzw. retrograde), tempa rotacji podstaw erupcji magnetycznych (nie tylko wytwarzanych przez nie tzw. gorących plam).
Powyższy rysunek przedstawia 3-wymiarowe renderowanie linii pola magnetycznego odłączonych od horyzontu czarnej dziury (reprezentowanego przez czarną kulę), kolorowanych według lokalnej magnetyzacji plazmy (stosunek gęstości relatywistycznych entalpii pola magnetycznego do plazmy). Ponadto, pętle magnetyczne podwójnie połączone z horyzontem pokazano białymi liniami. Bardzo mała różowa plamka po lewej stronie czarnej dziury oznacza relatywistyczną temperaturę, zidentyfikowaliśmy ją jako dokładne miejsce początku erupcji magnetycznej. Dwie animowane wersje takich rysunków można obejrzeć na stronie https://users.camk.edu.pl/ .
Nasz artykuł został zaakceptowany do publikacji w Astronomy & Astrophysics: https://arxiv.org/abs/2410.08280
Bezpośrednie linki do dwóch animacji:
1. (prograde) https://users.camk.edu.pl/
2. (retrograde) https://users.camk.edu.pl/
Tekst i ilustracje: Krzysztof Nalewajko
