Крупномасштабная динамика магнитосфер аккреционных дисков вокруг сверхмассивных черных дыр

Abstract

Представлена аналитическая модель динамики магнитосфер вокруг сверхмассивных черных дыр в активных галактических ядрах. Для невращающихся черных дыр найдены нестационарные аналитические решения уравнений магнитной гидродинамики в общей теории относительности, описывающие эффект гидромагнитного динамо, получены пространственное и временное распределения крупномасштабного магнитного поля. Показано, что в плоском аккреционном диске черной дыры Шварцшильда гидромагнитное динамо приводит к двум стадиям усиления магнитного поля: переходной и стационарной. В стационарном режиме поле локализовано в области внутренней границы аккреционного диска, магнитная индукция может достигать ~10^7 Гс. Получены стационарные решения уравнений гидромагнитного динамо аккреционных дисков предельно вращающихся черных дыр. Для таких объектов найдено наибольшее значение магнитной индукции вблизи горизонта событий: ~10¹º Гс. Проанализированы приложения систем с рассматриваемыми типами черных дыр к реальным активным галактическим ядрам.

Показано аналітичну модель динаміки магнітосфер навколо надмасивних чорних дір в активних галактичних ядрах. Для необертових чорних дір знайдено нестаціонарні аналітичні розв’язки рівнянь магнітної гідродинаміки у загальній теорії відносності, що описують ефект гідромагнітного динамо, одержано просторовий та часовий розподіли великомасштабного магнітного поля. Показано, що у плоскому акреційному диску чорної діри Шварцшильда гідромагнітне динамо призводить до двох стадій підсилення магнітного поля: перехідної і стаціонарної. У стаціонарному режимі поле локалізоване у області внутрішньої межі акреційного диска, магнітна індукція може досягати ~10^7 Гс. Отримано стаціонарні розв’язки рівнянь гідромагнітного динамо акреційних дисків максимально обертових чорних дір. Для таких об’єктів знайдено найбільше значення магнітної індукції поблизу горизонту подій: ~10¹º Гс. Проаналізовано застосування систем з вказаними типами чорних дір до реальних активних галактичних ядер.

The analytical model of accretion disk magnetosphere dynamics around supermassive black holes in active galactic nuclei is shown. The nonstationary analytical solutions of general relativistic magnetohydrodynamics equations governing dynamo action are derived for nonrotating black holes. Large-scale magnetic field spatial and time distributions are determined. It is shown that dynamo action leads to two – transient and steady-state – stages of magnetic field induction in a flat accretion disk around Schwarzschild black hole. In the steadystate regime the magnetic field is located near the inner border of accretion disk, and its flux density can reach ~10^7 G. The stationary solutions of induction equation for fast spinning black hole accretion disks are derived, the maximal value of magnetic field flux density near the event horizon is found being ~10¹º G. Applications of systems with such types of blac