Μελέτη της δομής και της δράσης του μαγνητικού πεδίου γύρω από αστροφυσικές μελανές οπές

Abstract

According to Blandford & Znajek, the spin energy of a rotating black hole can beextracted electromagnetically, should the hole be endowed with a magnetic fieldsupported by electric currents in a surrounding disc. We solve the fundamentalequation that describes the magnetic field structure in the vicinity of a blackhole. In all solutions the magnetic field taps the rotational energy of the blackhole and generates powerful outflows of electromagnetic (Poynting) energy. Wederive analytically the energy loss rate of a spinning black hole through thismechanism. We associate this black hole electromagnetic spin down with theX-ray afterglow of a gamma-ray burst. We argue that the duration of a burst ofthis kind depends on the magnetic field of the progenitor star. We tentativelyuse this study to find relations between the energy budget of a burst with itsluminosity distance and show how this can be used cosmological studies. Finally,in order to put forward the long standing riddle of the origin of astrophysicalmagnetic fields, we study the growth rate of the magnetic flux in the vicinity ofa black hole through the Cosmic Battery model.

Σύμφωνα με τους Blandford & Znajek, η ενέργεια μιας περιστρεφόμενης μελανής οπής μπορεί να εξαχθεί με ηλεκτρομαγνητικό τρόπο, αν η μελανή οπή βρεθεί μέσα σε μαγνητικό πεδίο, το οποίο έχειως πηγή ηλεκτρικά ρεύματα τα οποία ρέουν σε ένα δίσκο γύρω από τη μελανή οπή. Στην παρούσα διατριβή, μελετάμε διάφορες πτυχές του παραπάνω αστροφυσικού προβλήματος. Ξεκινάμε λύνονταςτη θεμελιώδη εξίσωση, η οποία περιγράφει τη δομή του μαγνητικούπεδίου κοντά σε μια μελανή οπή. Σε όλες τις λύσεις το μαγνητικό πεδίο δημιουργεί ισχυρές εκροές ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας(Poynting flux), καθώς η μελανή οπή χάνει την περιστροφική της ενέργεια. Συσχετίζουμε αυτό το μηχανισμό εξαγωγής ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας με την εκπομπή ακτίνων-Χ που ακολουθεί μια έκλαμψη ακτίνων-γ. Υποστηρίζουμε ότι, η διάρκεια τέτοιου είδους εκρήξεων εξαρτάται από το μαγνητικό πεδίο του προγεννήτορα άστρου.Χρησιμοποιούμε αυτή τη μελέτη για να βρούμε κάποια σχέση μεταξύ της συνολικής ενέργειας που εκλείεται σε μια τέτοια έκλαμψηακτίνων-γ, με την απόσταση φωτεινότητας της πηγής και δείχνουμε τη χρησιμότητα αυτής της συσχέτισης σε κοσμολογικές μελέτες.Τέλος, ασχολούμαστε με την ίδια την προέλευση του μαγνητικούπεδίου που περιβάλει τη μελανή οπή και ευθύνεται για όλα τα παραπάνω αστροφυσικά φαινόμενα. Εφαρμόζουμε το μοντέλο της Κοσμικής μπαταρίας και μελετάμε το ρυθμό ανάπτυξης της μαγνητικής ροής στην περιοχή μιας μαύρης τρύπας.