Монстр из Космоса: ЧЁРНАЯ ДЫРА
Присоединяйся к Вомбату
Сохраняй посты, комментируй и ставь оценки
или через
Хотите перенести свой аккаунт с Пикабу? Узнайте как
Уведомления
Вомбаттл
Сохраняй посты, комментируй и ставь оценки
Ученые из Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США с помощью суперкомпьютера Discover представили, что происходит при погружении в точку невозврата вокруг черной дыры.
Опубликованные NASA видео начинаются с того, что камера, расположенная на расстоянии почти 640 миллионов километров от сверхмассивной черной дыры, быстро приближается к космическому объекту, который заполняет поле зрения.
Сверхмассивная черная дыра, представленная в визуализациях, находится в центре нашей галактики Млечный Путь. Горизонт событий моделируемой черной дыры охватывает около 25 миллионов километров, или примерно 17% расстояния от Земли до Солнца.
360 видео
Кинематограф и научная фантастика обожают изображать черные дыры как "космические пылесосы", безжалостно втягивающие все вокруг — от космических кораблей до планет и гигантских звезд.
Такие сцены выглядят эффектно и пугающе, но насколько они соответствуют реальности? К счастью, истинная физика черных дыр куда менее апокалиптична, но при этом гораздо интереснее.
Черные дыры подчиняются тем же законам гравитации, что и любые другие объекты в нашей Вселенной. Их притяжение зависит от массы и расстояния — чем дальше вы находитесь, тем слабее их влияние. Никакой магической всепоглощающей силы у них нет.
Допустим, если бы наше Солнце внезапно превратилось в черную дыру, сохранив свою массу, то как бы изменилась организация Солнечной системы? Абсолютно никак! Все объекты продолжали бы вращаться по тем же орбитам, на том же расстоянии. Да, со временем климатические условия на Земле изменились бы в худшую сторону, но упорядоченность Солнечной системы осталась бы неизменной. Черная дыра с солнечной массой оказывает точно такое же гравитационное влияние на окружающее пространство, что и Солнце. Ни больше, ни меньше.
В центре нашей галактики Млечный Путь находится сверхмассивная черная дыра Стрелец А*, масса которой почти в 4,3 миллиона раз превышает массу Солнца. Звучит устрашающе? Но давайте посмотрим на цифры.
Диаметр Млечного Пути около 100 000 световых лет. Гравитационное влияние центральной черной дыры ощутимо лишь в радиусе нескольких световых лет от нее. Это как песчинка в центре футбольного стадиона — да, она там есть и взаимодействует с близлежащими песчинками, но на трибунах ее влияние уж точно никто не почувствует.
Звезды вблизи центра Галактики действительно вращаются вокруг черной дыры с огромными скоростями, испытывая ее чудовищное влияние. Например, астрономы давно ведут наблюдения за звездой S2, которая в момент максимального сближения со Стрельцом А* проходит на расстоянии около 120 а.е.* от сверхмассивной черной дыры — и ничего, избегает "засасывания"! Звезда продолжает свое уверенное движение по эллиптической орбите, как делала это миллионы или даже миллиарды лет.
*а.е. — астрономическая единица, среднее расстояние от Земли до Солнца, около 150 миллионов километров.
Более того, любая галактика — очень стабильная система, где все элементы удерживаются вместе благодаря темной материи и суммарной массе всех светил, обеспечивающих надежную гравитационную связь. На черную дыру в центре Млечного Пути — сколь бы грозной не выглядела ее масса на фоне Солнца — приходится менее 0,1% от общей массы Галактики. И Млечный Путь в этом плане не является исключением — это среднее значение для галактик в наблюдаемой Вселенной.
Так что спите спокойно — ни одна черная дыра не способна "проглотить" целую галактику. Законы физики надежно защищают нас от космических кошмаров, порожденных научной фантастикой. Черные дыры опасны только вблизи, а в целом же они ведут себя как обычные массивные объекты — притягивают ровно настолько, насколько позволяет их масса.
На расстоянии 53,5 миллиона световых лет от Земли расположена сверхгигантская эллиптическая галактика M 87 (Messier 87). При диаметре в 132 000 световых лет M 87 является домом для более чем триллиона звезд! Для сравнения, диаметр Млечного Пути около 100 000 световых лет, а количество звезд, проживающих в нашей Галактике, составляет от 200 до 400 миллиардов.
Космическая рентгеновская обсерватория NASA "Чандра", наблюдая за этим космическим гигантом в июле 2000 года, показала нам нечто поистине впечатляющее.
В центре изображения виден яркий "столб" — это гигантская струя (джет) раскаленного газа с температурой в миллионы градусов Цельсия. Ее длина поражает воображение — более 50 000 световых лет.
Источником этого космического фейерверка служит сверхмассивная черная дыра в центре M 87. Она выделяется среди своих "сородичей" необычайной активностью, вызванной обилием окружающей материи. Именно эта особенность сделала ее идеальной целью для исторического события — получения первого в истории человечества изображения тени черной дыры в 2019 году.
Этот революционный снимок был сделан с помощью уникального инструмента — телескопа Event Horizon Telescope (EHT). По сути, это целая сеть радиотелескопов по всей планете, работающих как единый инструмент размером с Землю. Результат их работы — оранжево-желтое кольцо света вокруг темного центра — подтвердил существование черных дыр, превратив их из теоретических объектов Эйнштейна в доказанную реальность. Темный силуэт в центре — тень черной дыры, окруженная ярким кольцом света от раскаленной материи, вращающейся вокруг нее на околосветовых скоростях.
Интересно, что такое буйное поведение характерно и для некоторых других сверхмассивных черных дыр в крупных галактиках, например, в Персее A.
Эти гравитационные монстры своими вспышками не только демонстрируют собственный рост, но и рассказывают об эволюции своих галактик (ранее было установлено, что сверхмассивные черные дыры формируют химический состав своих галактик).
Жителям Земли невероятно повезло — сверхмассивная черная дыра Стрелец A*, скрывающаяся в центре Млечного Пути, отличается спокойным характером. Возможно, именно это спокойствие позволило развиться жизни в нашей Галактике.
Визуальный опыт человека, падающего в черную дыру, будет радикально отличаться от повседневной физики — ничего подобного ни при каких других условиях увидеть просто невозможно. Разница между тем, что человек увидит перед собой и что сможет наблюдать за своей спиной — колоссальная. Однако в этой статье мы разберем, что можно было бы увидеть, обернувшись, потому что эта картина была бы особенно необычной.
В соответствии с общей теорией относительности Эйнштейна, которая уже более века выдерживает всевозможные тесты, визуальный ряд будет меняться в зависимости от расстояния до горизонта событий и размера самой черной дыры.
При приближении к черной дыре внешняя Вселенная начинает визуально искажаться, так как колоссальная гравитация работает как линза: свет от далеких звезд изгибается вокруг дыры, огибая ее гравитационное поле.
Если в этот момент обернуться назад, наблюдатель увидит, что привычное звездное небо сжимается. Окружающее пространство темнеет, а свет всех звезд из покинутой Вселенной фокусируется гравитацией в яркое концентрическое кольцо, замыкающееся у него над головой. Эффект Доплера подскажет цвет этого кольца — красноватый. Связано это с тем, что наблюдатель стремительно удаляется от объектов позади себя.
Параллельно с этим в игру вступает эффект гравитационного замедления времени: собственные часы падающего идут нормально, но если смотреть на внешнюю Вселенную, кажется, что процессы в ней идут быстрее. Чем ближе наблюдатель к горизонту событий, тем сильнее ускоряется внешний мир. Таким образом, человек сможет в режиме реального времени наблюдать рождение звезд, их эволюцию, гибель, столкновение галактик и даже ускоренное космологическое расширение.
Горизонт событий — это точка невозврата, миновав которую, даже свет, имеющий предельную скорость во Вселенной, уже не может вырваться наружу.
Если человек падает в сверхмассивную черную дыру (массой в миллионы и миллиарды солнечных масс), приливные силы на горизонте событий будут относительно слабы. Поэтому наблюдатель пересечет эту границу живым и физически ничего не почувствует.
В случае с черной дырой звездной массы (несколько масс Солнца) приливные силы разорвут наблюдателя задолго до пересечения горизонта.
Находясь точно на горизонте событий и обернувшись назад, человек все еще будет видеть внешнюю Вселенную, так как свет снаружи продолжает беспрепятственно падать внутрь черной дыры, догоняя наблюдателя. Однако по мере падения внешний мир для наблюдателя будет сжиматься все сильнее, превращаясь в экстремально яркое пятно.
После пересечения горизонта событий вступают в силу радикальные изменения геометрии пространства-времени. Внутри черной дыры пространственные и временные координаты фактически меняются местами.
Направление к сингулярности (центру дыры) перестает быть просто точкой в пространстве — оно становится неизбежным будущим во времени. Любая попытка затормозить или повернуть назад обернется неудачей, так как физически это будет эквивалентно попытке переместиться в прошлое.
Обернувшись внутри горизонта событий, человек все еще будет видеть свет внешней Вселенной, падающий вслед за ним. Но здесь в дело вступает турбулентность самого пространства-времени, и яркое пятно искажается, смешиваясь с излучением, попавшим в дыру ранее. Наблюдатель начинает видеть прерывистые вспышки и лучи света, движущиеся по искаженным траекториям.
Существует интересная гипотеза: из-за бесконечного ускорения времени внешнего мира обернувшийся наблюдатель, падающий в черную дыру, мог бы стать свидетелем всей оставшейся истории Вселенной вплоть до ее тепловой смерти. Правда, свет внешнего мира был бы сильно смещен в красную сторону спектра и ослаблен.
На финальном этапе, при приближении к сингулярности, гравитационный градиент возрастает до критических значений. Разница гравитационного притяжения, действующего на ноги и голову наблюдателя, станет настолько огромной, что тело начнет стремительно растягиваться по вертикали и сжиматься по горизонтали. В физике этот процесс называют спагеттификацией.
Перед тем как приливные силы разорвут наблюдателя на субатомные частицы, внешняя Вселенная сожмется в бесконечно малую точку света.
Описать визуальный опыт наблюдения по достижении сингулярности невозможно, потому что там наша физика просто перестает работать.
Астрономы столкнулись с одной из самых загадочных проблем в космологии – как самые массивные объекты во Вселенной успели сформироваться так быстро. С развитием мощных телескопов исследователи обнаруживают полностью сформированные галактики и колоссальные чёрные дыры всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Этого времени не должно хватать для достижения таких невероятных размеров – ситуация напоминает обнаружение векового дуба, которому на самом деле всего год.
Проблема обострилась после открытия телескопом Уэбба крайне ярких "малых красных точек", существовавших когда Вселенной было меньше миллиарда лет и полностью исчезнувших в современную эпоху. Предполагается, что это компактные галактики, но их плотность при наблюдаемой массе кажется невозможной – они должны быть буквально забиты звёздами от края до края.
Вадим Русаков, астроном из Манчестерского университета и ведущий автор нового исследования, рассказал:
Им потребовалось бы производить звёзды со 100-процентной эффективностью, а мы не привыкли такое наблюдать. Галактики не могут производить звёзды с эффективностью выше 20 процентов, по крайней мере согласно нашим текущим знаниям.
Альтернативная гипотеза предполагает, что красные точки – это сверхмассивные чёрные дыры. Но и здесь возникают противоречия: объекты не демонстрируют рентгеновского излучения, характерного для таких образований. Если бы это действительно были чёрные дыры, они оказались бы "избыточно массивными" – весили бы почти столько же, сколько вся окружающая их галактика, что никогда не наблюдалось в обычных галактиках. Как подобное чудовище могло сформироваться в младенческом возрасте Вселенной – не менее озадачивающий вопрос.
Новое исследование предлагает элегантное решение. Русаков и его команда обнаружили, что газы в малых красных точках, по которым астрономы определяют массу невидимых чёрных дыр, движутся не так быстро, как считалось ранее. Если это так, то чёрные дыры примерно в 100 раз легче предыдущих оценок. Это означает, что мнимые "монстры" на самом деле просто молодые сверхмассивные чёрные дыры. Но почему тогда они не похожи на современные объекты этого типа?
Астрономы предполагают, что наблюдают ранее неизвестную стадию "кокона" в их эволюции – период, когда чёрная дыра питается плотной защитной оболочкой из ионизированного газа.
Они выглядят как развивающаяся бабочка или что-то в этом юном состоянии, которое растёт, обёрнутое в своего рода газ, также питающий его. Это определённо новое явление в том смысле, что люди не предсказывали существование такой коконной фазы в жизненном цикле сверхмассивных чёрных дыр.
Помимо питания чёрной дыры, кокон блокирует ожидаемое рентгеновское излучение, объясняя его отсутствие.
Существуют и другие гипотезы. Некоторые исследования предполагают, что красные точки – это необычно крошечные галактики, не успевшие раскрутиться до нормальной скорости вращения. Ещё более смелое предположение описывает их как "чёрнодырные звёзды" – объекты с ядром из чёрной дыры, окружённым сферой газа настолько плотной, что она напоминает внешние слои звезды. Но если Русаков и его коллеги правы, возникает фундаментальный вопрос, преследующий астрономов:
Галактика начинается со сверхмассивной чёрной дыры или со звёзд? Что первично – курица или яйцо?
В современной Вселенной чёрные дыры формируются из коллапса умирающих звёзд, но в самые ранние моменты существования космоса экстремальные условия могли порождать эти объекты повсеместно – задолго до рождения первых звёзд.
«Икание» в центре далекой галактики, замеченное в 2020 году, объяснили кружением маленькой черной дыры, пробивающей дыры в аккреционном диске. Впервые ученые нашли систему из сверхмассивной и обычной черных дыр.
Первые подтвержденные гравитационные волны, пойманные обсерваторией LIGO в 2015 году, прилетели от слияния двух черных дыр, как полагают ученые. За прошедшие годы астрономы зарегистрировали гравитационные волны от десятков таких событий. Причем это почти всегда «темные» события, когда черные дыры умеренных масс сливаются без существенного свечения.
Чтобы хорошо наблюдать слияния, нужны иные события — например, с участием крупных черных дыр с хорошо различимым в телескопы аккреционным диском. И вообще, хорошо бы начинать наблюдения за такими событиями заранее, поэтому астрономы ищут подходящие пары космических тел. Одна из самых перспективных комбинаций — компактный объект рядом со сверхмассивной черной дырой. Именно такой объект случайно нашли исследователи.
В 2020 году автоматизированная сеть телескопов ASAS-SN, ежедневно сканирующая небо на предмет сверхновых и других кратковременных событий, поймала вспышку. Галактика в 800 миллионах световых лет от нас стала в тысячу раз ярче. Заметив оповещение о событии, Дхирадж Пашам (Dheeraj Pasham), астрофизик из Массачусетского технологического института (США), направил на галактику рентгеновский телескоп NASA NICER, установленный на МКС. На протяжении примерно четырех месяцев телескоп регулярно делал снимки объекта. Также в сборе данных участвовали другие обсерватории.
Проанализировав собранные данные и проведя статистический анализ, группа ученых под руководством Пашама пришла к выводу, что из аккреционного диска сверхмассивной черной дыры с периодичностью в 8,5 дня вылетает материя, заглушая ненадолго излучение. Чем-то это было похоже на перепады излучения звезды, рядом с которой летает планета.
Почему же астрономы раньше не замечали этого «икания»? Потому что аккреционный диск был довольно тусклым. Видимо, какая-то звезда слишком близко подлетела к сверхмассивной черной дыре, и ее разорвало на части. Это событие приливного разрушения спровоцировало всплеск яркости диска, что и засекли телескопы. Изучая всплеск, ученые заметили периодичность.
Авторы исследования рассмотрели разные гипотезы возникновения «мигания», используя в том числе двумерное компьютерное моделирование: особенности аккреционного диска, разрушение звезды по частям, поток обломков от разрушенной звезды и другие. Так исследователи пришли к выводу, что виноват компактный объект, под большим наклоном вращающийся вокруг сверхмассивной черной дыры. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.
Это должен быть объект массой от 100 до 10 тысяч солнечных масс, то есть черная дыра средней массы. Хотя такую пару обнаружили впервые, по оценке авторов новой работы, в пределах 800 миллионов световых лет от нас, среди 2,5 миллиона галактик, в год может происходить до пяти (от 0,07 до 5,3, если точнее) событий приливного разрушения как раз в таких галактиках — с парой из сверхмассивной и обычной черных дыр. Это, конечно, мало, но при продолжительном наблюдении за активными ядрами галактик вполне вероятно уловить «икание» при поглощении очередной звезды и по его периодичности «увидеть» компактного, но массивного компаньона.
Получается, аккреционные диски сверхмассивных черных дыр не такие уж «гладкие». В них могут летать черные дыры и, вероятно, звезды.
«Это совершенно иной зверь. Он совсем не укладывается в наши представления о таких системах. Мы видим доказательства того, что объекты могут влетать и пролетать диск насквозь, под разными углами, и это не совпадает с принятой картиной простого газового диска вокруг черной дыры. Мы думаем, существует немало подобных систем», — объяснил важность открытия Пашам.
Недавнее исследование астрономов из Калифорнийского университета в Беркли показало, что самые массивные черные дыры в известной Вселенной остановили свой рост. Наблюдения за 32 квазарами с черными дырами массой более 10 миллиардов солнечных масс показали, что все они достигли этого предела примерно 1,5 миллиарда лет назад.
Ученые предполагают, что существует фундаментальный предел роста черных дыр, связанный с эффективностью аккреции материи или с истощением доступного для поглощения вещества в их галактиках. Это открытие помогает объяснить, почему мы не наблюдаем черные дыры с массами в 100 миллиардов солнечных масс.
Та самая черная дыра, силуэт которой впервые увидел мир, расположена в центре крупной галактики М87 и привлекала к себе пристальное внимание задолго до получения знаменитого изображения: она постоянно бьет в нашу сторону гигантским потоком плазмы, а иногда с ней происходят труднопредсказуемые и не совсем понятные события. Одно из них впервые за много лет удалось зафиксировать во время очередных наблюдений.
Галактика Мессье 87 (М87) в диаметре ненамного больше Млечного Пути, но по массе превосходит его, возможно, раз в двести. В отличие от нашей спиральной галактики, эта — эллиптическая: огромная сфера, полная звезд. Расположена она в 53,5 миллионах световых лет от нас в направлении созвездии Девы и особенно интересна своим крайне активным ядром, то есть сверхмассивной черной дырой, которая интенсивно вбирает в себя окружающее вещество.
Именно эту черную дыру астрономы выбрали как ту, которую первой должно было увидеть и увидело человечество. Изображение ее силуэта составили по данным комплекса телескопов Event Horizon («Горизонт событий») и обнародовали в 2019 году. Черная дыра на нем угадывается только благодаря яркому обрамлению притянутого к ней вещества — аккреционному диску. Он оказался неоднородным, есть более яркие, явно более плотные области. И все это вращается вокруг горизонта событий на огромных скоростях.
По недавним оценкам, масса этой черной дыры составляет 6,5 миллиарда масс Солнца. При этом в размерах она вполне уместилась бы в пределы орбиты Плутона, то есть она меньше Солнечной системы. Напомним, черная дыра в центре Млечного Пути «весит» как четыре миллиона Солнц, а ее диаметр примерно такой, как у орбиты Меркурия.
Черная дыра М87 обрушивает на себя такое количество вещества, что просто не в состоянии справиться с ним, и его излишки вырываются от нее прочь из окрестностей обоих полюсов гигантскими плазменными фонтанами под названием «релятивистские струи». Одна из них направлена почти прямо в сторону Земли — под углом всего примерно 20 градусов. Этот поток тянется на без малого пять тысяч световых лет. Тот, что с противоположной стороны, должен быть таким же.
Недавно международная и очень многочисленная команда астрофизиков поделилась в журнале Astronomy and Astrophysics результатами своих последних наблюдений за ядром М87 в 2018 году и сравнила их с тем, как выглядела эта сверхмассивная черная дыра во время предыдущей сессии — в 2017-м. Выяснилось, во-первых, что за год уплотнения в аккреционном диске (а значит, и весь диск) успели сместиться на 30 градусов. Во-вторых, релятивистская струя понемногу, «монотонно» сдвигается, и это замечают не в первый раз.
В-третьих, впервые с 2010 года в окрестностях центра М87, наконец, снова произошла внезапная мощная вспышка гамма-излучения, которую ранее наблюдали несколько раз, но толком объяснить пока не смогли. На этот раз она оказалась гораздо слабее предыдущих, тем не мене излучение было примерно в четыре раза интенсивнее, чем в «спокойное» время.
Продолжался всплеск примерно три дня. Астрофизики отметили, что он почему-то наблюдался исключительно в гамма-диапазоне. Точное место, откуда шло излучение, определить не удалось. Впрочем, ученые отметили, что область вспышки невелика — всего раз в 10 больше размеров самой черной дыры.
О природе этой гамма-вспышки пока только строят предположения. Есть подозрение, что она связана с магнитным полем черной дыры. Например, по одной из версий, в нем спорадически сталкиваются сильно и слабо намагниченные потоки, отчего возникает ударная волна.
На изображении — безымянная галактика, удаленная примерно на 5,7 миллиарда световых лет от нас. Этот кадр — результат объединения данных, полученных с помощью космической рентгеновской обсерватории NASA "Чандра" и наземного комплекса радиотелескопов ALMA (Чили).
Яркое пятно в центре представляет собой раскаленный газопылевой "кокон" вокруг сверхмассивной черной дыры. Темные зоны сверху и снизу — области холодного газа.
Обычно черные дыры рассматриваются как разрушители, но этот объект доказывает, что не все так однозначно. Мощные струи плазмы (джеты), вырывающиеся из окрестностей дыры, не разгоняют окружающую материю, а напротив — запускают производство холодного газа.
У некоторых возникнет вопрос:
"Как раскаленная струя плазмы может что-то охладить?"
На первый взгляд это действительно звучит иррационально. Это как пытаться заморозить воду огнеметом.
Но тут весь секрет в физике расширения. Джеты, двигаясь с огромной скоростью, выталкивают газовые облака подальше от черной дыры. Там газ начинает стремительно расширяться, теряя энергию и... остывая. Именно этот холодный газ — ключевой компонент для рождения новых звезд.
Все это формирует замкнутый цикл: черная дыра стимулирует звездообразование, чтобы потом "полакомиться" частью новых светил. В будущем, испуская новые джеты, она станет причиной появления следующего поколения звезд. И все повторится вновь, пока запасы окружающего газа не подойдут к концу — лишь тогда черная дыра уснет.
Чтобы получить первое изображение черной дыры, исследователям пришлось объединить данные, полученные от обсерваторий по всему миру. Когда в 2019 году нечеткое, светящееся изображение было наконец обнародовано, все крупные газеты опубликовали его.
Теперь этот сверхмассивный монстр, расположенный в центре галактики Messier 87, раскрыл еще больше своих секретов. Анализ 22-летних наблюдений за ядром галактики М87 подтвердил, что ее черная дыра вращается.
“После успешной визуализации черной дыры в этой галактике с помощью телескопа Event Horizon Telescope вопрос о том, вращается эта черная дыра или нет, стал одним из главных для ученых, – говорит астрофизик и соавтор исследования Казухиро Хада (Kazuhiro Hada) из Национальной астрономической обсерватории Японии. “Теперь ожидание переросло в уверенность. Эта чудовищная черная дыра действительно вращается”.
Используя глобальную сеть из более чем 20 телескопов, исследователи проанализировали 170 наблюдений M87, сделанных в период с 2000 по 2022 год.Они не смогли наблюдать ничего внутри горизонта событий, поскольку гравитационное притяжение черных дыр настолько сильно, что даже свет оказывается в их плену. Однако они смогли проследить за великолепной струей черной дыры, которая простирается на 4 900 световых лет и, кажется, движется почти в пять раз быстрее скорости света благодаря оптической иллюзии, известной как сверхсветовое движение.
Иллюзия сверхсветового движения возникает из-за того, что световые лучи, излучаемые из точки, расположенной на краю вращающегося объекта, могут быть искривлены гравитационным полем этого объекта. В результате эти лучи могут достигать наблюдателя с разных направлений, что создает впечатление, что объект движется быстрее скорости света. В случае с черной дырой, струи, которые она испускает, состоят из ионизированного газа и плазмы. Эти струи движутся со скоростью, близкой к скорости света. Однако из-за вращения черной дыры струи могут искривляться, что создает впечатление, что они движутся быстрее скорости света.
Впервые эта струя была замечена в 1918 г. астрономом Хебером Кертисом, а знаменитый снимок был сделан космическим телескопом Хаббл.
Ученые не вполне уверены в том, как создаются эти мощные струи, но предполагается, что излучение и частицы попадают в воронку вдоль линий магнитного поля черной дыры.
Исследователи обнаружили, что черная дыра в центре M87 медленно изменяет угол наклона своей струи примерно на 10 градусов, а затем возвращается в исходное положение. Этот цикл занимает около 11 лет. На основании такого изменения угла наклона струи исследователи смогли сделать вывод о наличии вращающейся черной дыры.
Вращающиеся черные дыры искривляют пространство-время вокруг себя в процессе, называемом “перетягиванием рамки”, что приводит к опрокидыванию аккреционного диска и струи вбок.
“Поскольку рассогласование между черной дырой и диском относительно невелико, а период прецессии составляет около 11 лет, накопление данных высокого разрешения, отслеживающих структуру M87 в течение двух десятилетий, и их тщательный анализ необходимы для получения этого достижения”, – говорит астрофизик и соавтор исследования Цуй Ючжу.
M87 представляет особый интерес, поскольку удалена от нас всего на 54 млн. световых лет, что гораздо ближе, чем другие галактики.
Кроме того, она уже несколько веков привлекает внимание любителей наблюдений за звездами. Впервые M87 была замечена в 1781 году астрономом Шарлем Мессье, когда он направил свой телескоп на галактику в созвездии Девы. Мессье 87, или M87, теперь носит его имя.
Считается, что большинство черных дыр вращается почти со скоростью света, и некоторые черные дыры уже продемонстрировали это. В 2013 г. было показано, что черная дыра, расположенная в центре галактики NGC 1365 на расстоянии около 60 млн световых лет, вращается со скоростью 84% от скорости света.
Используя схемы импульсов рентгеновского излучения, ученые пришли к выводу, что в 2019 году еще одна черная дыра вращалась со скоростью 50% от скорости света.
Почему черные дыры вращаются так быстро? Когда материя коллапсирует в сингулярность или черную дыру, она становится чрезвычайно плотной и имеет очень малый объем.
Но она сохраняет свой угловой момент. Если бы вещество происходило от вращающейся звезды, то скорость его вращения увеличилась бы при сжатии, подобно тому как фигурист вращается быстрее, когда прижимает руки к корпусу.
Cui, Y., Hada, K., Kawashima, T. et al. Precessing jet nozzle connecting to a spinning black hole in M87. Nature 621, 711–715 (2023).
Астрофизики Гарвардского и Смитсоновского институтов провели успешные наблюдения с помощью виртуального телескопа размером с планету, достигнув рекордного разрешения с поверхности Земли. Результаты их работы опубликованы в журнале The Astronomical Journal.
В рамках проекта Event Horizon Telescope (EHT) – ученые зафиксировали свет, исходящий из центров галактик на частоте около 345 ГГц, а в сочетании с полученными ранее изображениями сверхмассивных черных дыр на частоте 230 ГГц – это позволило получать не только многоцветные изображения областей вокруг черных дыр и повысить их четкость на 50%, но и точнее измерять размер и форму объектов.
Для получения высококачественных изображений использовалась интерферометрия со сверхдлинной базой (VLBI), позволяющая связать несколько радиотелескопов по всему миру и создать гигантский виртуальный телескоп размером с нашу планету. Новое исследование открывает перспективы для получения информации о взаимодействии гравитационных и магнитных полей, окружающих черные дыры.
Фото: D. Pesce, A. Chael /EHT
Радиогалактика 0402 + 379 образовалась в результате слияния скопления галактик. Две сверхмассивные черные дыры в ее центре «танцуют» вокруг друг друга уже несколько миллиардов лет. Чтобы понять, что может подтолкнуть их к сближению, ученые изучили их движение и массу.
В центре почти каждой массивной галактики теоретически находится сверхмассивная черная дыра. В 2004 году ученые обнаружили в центре радиогалактики B2 0402 + 379, расположенной в 723 миллионах световых годах от нас (красное смещение 0,055), два объекта. Они сразу выдвинули предположение, что это двойная черная дыра. Через несколько лет предположение подтвердилось, астрономам даже удалось засечь движение двух дыр вокруг друг друга. Теперь удалось измерить их массу.
Радиогалактиками называют те галактики, у которых радиоизлучение намного сильнее, чем у остальных галактик. Объект 0402 + 379 действительно очень яркий. Это массивная эллиптическая галактика, окруженная ярким рентгеновским гало. По количеству и суммарной массе звезд эта одинокая галактика сопоставима с целым скоплением.
Такие объекты астрономы называют «скоплениями-окаменелостями» (fossil clusters), считая, что они образовались в результате слияния галактик одного скопления. Что касается сверхмассивных черных дыр в центре, их слияние хоть и предсказано теоретически, все же маловероятно и еще ни разу не встречалось астрономам в ходе наблюдений. Слияние черных дыр звездной массы ученые наблюдали впервые в 2015 году — как раз по первому в истории пойманному сигналу гравитационных волн GW150914.
Пара сверхмассивных черных дыр в центре 0402 + 379 — самая компактная из тех, что удалось измерить напрямую. Между объектами всего 24 световых года. Как показали исследования, они выдерживают эту дистанцию уже более трех миллиардов лет. Чтобы понять почему, авторы нового исследования исследовали динамику звезд в центре этой галактики. Результаты их работы опубликованы в журнале The Astrophysical Journal.
Сопоставив и проанализировав данные наблюдений обсерваторий WIYN и «Джемини», ученые оценили массу пары сверхмассивных черных дыр в 28 миллиардов солнечных масс. Для сравнения: массу черной дыры в центре Млечного Пути оценивают в 4,3 миллиона солнечных масс. Получается, пара в центре 0402 + 379 в 6,5 тысячи раз массивнее. Это делает пару рекордсменом в современной Вселенной, то есть Вселенной на расстоянии до миллиарда световых лет от нас, где минимальны эффекты космической эволюции.
Несмотря на такую большую массу, эта пара вписывается в ряд сверхмассивных черных дыр в центре подобных эллиптических галактик по всем параметрам и с сохранением их корреляции, вроде корреляции радиуса ядра с массой черной дыры (или дыр, как в этом случае).
Отметим, что сверхмассивная черная дыра в сверхгигантской эллиптической галактике Holm 15A, теоретически, еще больше — около 170 миллиардов солнечных масс, согласно одной из работ, — но напрямую ее массу пока не удалось измерить. Поэтому пока 0402 + 379 можно считать рекордсменом.
Почему же не слились эти дыры? Видимо, не хватает массы, «танец» пары «очистил» центральную область галактики от звезд. В этом плане астрономам как раз повезло.
«Кажется, что галактикам и с менее массивными парами черных дыр хватает звезд и массы, чтобы быстро сблизить пару. Тут пара настолько массивная, что потребовалось бы немало звезд и газа, чтобы выполнить эту работу. Но двойная очистила центральную область галактики от подходящего вещества, что и позволило нам ее изучить»,— объяснил профессор Роджер Романи из Стэнфордского университета, один из авторов новой работы.
Вещество в окрестностях центра, будь то звезды или газ, смогло бы замедлить пару и спровоцировать сближение. Нельзя оценить, смогут ли они замедлиться самостоятельно даже за миллиарды лет, отчасти потому, что нам неизвестно, сколько точно газа осталось в центре. Кстати, как отметили авторы исследования, в таких наблюдениях может помочь «Джеймс Уэбб». Новое слияние с другой галактикой и третья сверхмассивная черная дыра могли бы изменить ситуацию, но такое слияние маловероятно: «скопление-окаменелость» одиноко. Остается лишь наблюдать.
Ученые создали уникальный код, способный охватить почти всю известную физику.
Группа астрофизиков Калтеха впервые сумела смоделировать путешествие космического газа, начиная со времени ранней Вселенной до того момента, когда оказывается втянутым в диск материала, питающего сверхмассивную черную дыру. Новое компьютерное моделирование переворачивает представления о таких дисках.
Моделирование показало, что в формировании и придании формы огромным дискам материала, которые вращаются вокруг сверхмассивных черных дыр и питают их, магнитные поля играют гораздо большую роль, чем считалось ранее.
В новой симуляции исследователи выполнили то, что они называют «супер-зумом» крайне активной сверхмассивной черной дыры — квазара. Когда материал вот-вот упадет в такой объект, то излучает огромное количество энергии, сияя с блеском, не имеющим себе равных во Вселенной.
Чтобы визуализировать то, что происходит вокруг этих активных и далеких черных дыр, астрофизики обращаются к суперкомпьютерным симуляциям. В тысячи вычислительных процессоров, которые работают параллельно, загружают информацию о физике, действующей в заданных условиях — от основных уравнений, управляющих гравитацией до особенностей темной материи и звезд. Так, например, компьютеры знают, что как только газ становится достаточно плотным, образуется звезда. Звезды делают много вещей, которые влияют на их окружение: дают излучение, которое может нагревать или толкать окружающий газ; создают солнечный ветер; взрываются, иногда выбрасывая материал из галактик или изменяя химию окружающей среды.
В галактических масштабах чрезвычайно важны сложные детали поведения атомов и молекул и должны быть встроены в симуляцию. Однако когда симуляция фокусируется на области вокруг черной дыры, молекулярную химию можно в основном игнорировать, поскольку газ там слишком горячий для существования атомов и молекул. Вместо этого там горячая ионизированная плазма. Создание симуляции, которая могла бы охватывать все масштабы вплоть до конкретного аккреционного диска вокруг сверхмассивной черной дыры, было огромной вычислительной задачей, которая также требовала кода, способного обрабатывать всю физику.
Это позволило смоделировать жизнь черной дыры, которая примерно в 10 миллионов раз больше массы нашего Солнца, начиная с ранней Вселенной и заканчивая деталями аккреционного диска.
Новая способность преодолеть разрыв в масштабах для космологического моделирования откроет много новых направлений исследований. Например, что в деталях происходит при слиянии двух галактик? Какие типы звезд образуются в плотных областях галактик, где условия отличаются от условий в окрестностях нашего Солнца? Как могло выглядеть первое поколение звезд во Вселенной?
В самом сердце галактик, среди звездных вихрей и облаков космической пыли, скрываются объекты невообразимой мощи – сверхмассивные черные дыры. Но что происходит, когда два таких космических монстра сближаются и начинают свой последний танец перед слиянием? Давайте погрузимся в захватывающий мир экстремальной астрофизики.
Слияние сверхмассивных черных дыр – это кульминация длительных космических процессов, связанных со столкновением галактик. Гравитационное взаимодействие сближающихся галактик приводит к тому, что их центральные черные дыры начинают неумолимо притягиваться друг к другу, запуская процесс, который может длиться миллиарды лет.
Сближение: на первом этапе черные дыры медленно приближаются друг к другу, преодолевая огромные расстояния за миллионы или даже миллиарды лет.
Гравитационный танец: когда расстояние между ними сокращается до нескольких световых лет, черные дыры начинают вращаться друг вокруг друга, формируя двойную систему.
Финальное пике: на последних этапах, когда расстояние между черными дырами сокращается до нескольких радиусов Шварцшильда (граница, за которой даже свет не может покинуть черную дыру), орбитальная скорость достигает значительной доли скорости света. Черные дыры вращаются друг вокруг друга с частотой до нескольких оборотов в секунду, порождая мощные гравитационные волны.
Слияние: в последние мгновения черные дыры сливаются, высвобождая колоссальное количество энергии в виде гравитационных волн.
Одно из самых захватывающих последствий слияния сверхмассивных черных дыр – это генерация мощных гравитационных волн. Эти волны в пространстве-времени распространяются со скоростью света, неся информацию о самом катаклизмическом событии во Вселенной.
В 2015 году детекторы LIGO впервые зарегистрировали* гравитационные волны от слияния черных дыр звездной массы. Однако обнаружение волн от слияния сверхмассивных черных дыр остается одной из главных целей современной астрофизики.
*Это историческое открытие стало триумфальным подтверждением предсказания Эйнштейна, сделанного им в рамках общей теории относительности еще в 1916 году.
Слияние сверхмассивных черных дыр имеет далеко идущие последствия:
Формирование еще более массивной черной дыры: результатом слияния становится образование черной дыры, масса которой немного меньше, чем сумма масс исходных объектов. Значительная часть энергии (до нескольких процентов от общей массы системы) излучается в виде гравитационных волн в процессе слияния. Точная доля потерянной массы зависит от параметров сливающихся черных дыр, таких как их относительные массы и скорости вращения.
Трансформация галактической среды: процесс слияния сверхмассивных черных дыр кардинально меняет окружающее пространство. Усиленная аккреция вещества приводит к мощным выбросам энергии и материи из активного ядра галактики. Одновременно, гравитационные возмущения перестраивают орбиты звезд и распределение газа. Эти процессы могут иметь противоречивые последствия для звездообразования: в одних регионах, где происходит сжатие газовых облаков, формирование новых звезд ускоряется. В других областях, напротив, звездообразование может подавляться из-за рассеивания газа и/или интенсивного излучения.
Изменение химического состава: выбросы материи из активного ядра галактики обогащают межзвездную среду тяжелыми элементами. Это влияет на химический состав будущих поколений звезд и планетных систем.
Реструктуризация галактики: Слияние сверхмассивных черных дыр может кардинально изменить форму и структуру всей галактики, влияя на распределение видимой и темной материи.
Изучение слияний сверхмассивных черных дыр имеет огромное значение для астрофизики:
Это позволяет проверить общую теорию относительности Эйнштейна в экстремальных условиях.
Помогает понять процессы формирования и эволюции галактик.
Дает ключи к разгадке тайн темной материи и темной энергии.
Открывает новые горизонты в изучении ранней Вселенной.
В расчетах и данных наблюдений за черными дырами есть заметный разрыв: обнаруженные астрономами черные дыры значительно массивнее теоретической нижней границы масс подобных тел. И вот ученые нашли систему из пульсара и объекта-компаньона, который как раз попадает в этот «провал масс».
Астрономы ищут системы из массивных объектов — нейтронных звезд, белых карликов и черных дыр, — чтобы протестировать теории гравитации. Лучшее место для поиска таких объектов — шаровые звездные скопления.
Плотность звезд в центре подобных скоплений достаточно высокая, поэтому тела там чаще встречаются и взаимодействуют. В частности, нейтронные звезды подхватывают маломассивные звезды главной последовательности и «высасывают» их материю, накапливая массу. Так появляются маломассивные рентгеновские двойные звезды, одним из объектов которых становится миллисекундный пульсар, быстровращающаяся нейтронная звезда. Именно на таких системах ученые тестируют теории гравитации.
Во время поиска подобных объектов в шаровых звездных скоплениях с помощью радиотелескопа MeerKAT (Южная Африка) астрономы обнаружили в NGC 1851 в созвездии Голубь 13 миллисекундных пульсаров, в том числе в составе трех массивных двойных звезд. Компаньон одной из них — PSR J0514-4002E — заинтересовал ученых своей массой.
Если бы компаньон был звездой главной последовательности, его было бы видно в оптическом диапазоне. Но в наблюдениях «Хаббла» подходящий объект найти не удалось. Получается, он должен быть очень компактным. Проанализировав «тиканье» пульсара и рассчитав его движение, авторы исследования пришли к выводу, что масса компаньона — от 2,09 до 2,71 солнечной массы.
Это больше, чем у крупнейших пульсаров, чью массу удалось точно измерить: PSR J0740+6620 (2,08 солнечной массы) и PSR J0348+0432 (2,01 солнечной массы). И меньше самых маленьких черных дыр (около пяти солнечных масс), обнаруженных в составе двойных систем. То есть этот объект находится в «провале масс» черных дыр — разрыве между данными наблюдений и теоретической минимальной массой черной дыры (2,2 солнечной массы), образовавшейся при коллапсе нейтронной звезды.
По словам ученых, судя по положению в плотном шаровом скоплении, эксцентричности орбиты, быстрому вращению пульсара и большой массе компаньона, система PSR J0514-4002E — продукт «вторичной встречи». Авторы статьи предположили, что пульсар раскрутился, поглотив материю своего первого «соседа», а уже потом встретился с нынешним массивным компаньоном.
Новый компаньон, судя по массе, мог образоваться в слиянии двойной нейтронной звезды или нейтронной звезды и черной дыры. Через анализ гравитационных волн астрономам известно несколько таких событий, и масса компаньона совпадает с оценкой масс участников тех слияний (GW190814, GW191917 и GW200210).
К сожалению, по косвенным данным вроде вращения пульсара и траектории его орбиты (тут не хватает точности измерений) невозможно точно определить, является ли компаньон самой массивной нейтронной звездой из известных или самой маленькой черной дырой из «провала масс».
Если удастся подтвердить, что этот объект состоит из радиопульсара и черной дыры, PSR J0514-4002E станет первой подобной системой за всю историю наблюдений. И это будет праздник для астрофизиков, потому что такая пара позволит по-новому протестировать Общую теорию относительности.
В 2019 году команда ученых из Университета Кагосимы в Японии, возглавляемая астрофизиком Кэйити Вада, представила революционную гипотезу: планеты могут формироваться и существовать не только вокруг звезд, но и вокруг сверхмассивных черных дыр.
Эти гипотетические объекты получили название "бланеты" — от английских слов "black hole" (черная дыра) и "planet" (планета). Возможность их существования бросает вызов традиционным представлениям о формировании планетных систем и открывает новые горизонты в понимании устройства Вселенной.
Концепция планет, обращающихся вокруг черных дыр, может показаться фантастической, но она имеет серьезные научные основания. Современные исследования показывают, что вокруг сверхмассивных черных дыр существуют все необходимые условия для формирования планет: достаточное количество материала в аккреционных дисках и стабильные орбиты на безопасном расстоянии от горизонта событий.
Черная дыра, вопреки распространенному заблуждению, не представляет собой гигантский пылесос, засасывающий все вокруг. Любая черная дыра обладает конечной массой, а значит у ее "гравитационных полномочий" есть предел. По этой причине вокруг черных дыр могут вращаться (и вращаются!) космические тела. Более того, орбиты вокруг черной дыры могут быть даже более стабильными, чем вокруг звезд, поскольку черные дыры не испытывают таких драматических изменений как звезды.
Главное отличие бланет от обычных планет — это источник освещения. Вместо света родительской звезды такой мир освещало бы свечение аккреционного диска черной дыры. На стабильной орбите гравитация на поверхности бланеты могла бы быть вполне комфортной для жизни, однако близость черной дыры создавала бы уникальные условия. Из-за релятивистских эффектов наблюдатель на поверхности бланеты видел бы сильно искаженное звездное небо, а свет бы причудливо изгибался из-за искривления пространства-времени.
Основной вопрос — откуда бланеты могут получать энергию? Главным и наиболее мощным источником энергии для них мог бы служить аккреционный диск черной дыры, представляющий собой гигантскую структуру из раскаленных газа и пыли, вращающихся вокруг черной дыры на огромных скоростях. При движении вещества в аккреционном диске выделяется колоссальное количество энергии - до 40% массы вещества превращается в излучение. Для сравнения: термоядерные реакции в звездах переводят в энергию менее 1% массы.
Дополнительным источником тепла могла бы служить внутренняя энергия самой бланеты — геотермальная активность, подобная той, что мы наблюдаем на Земле. Особенно если учесть, что приливные силы со стороны черной дыры могли бы усиливать эти процессы.
Вопрос о возможности существования жизни на бланетах особенно интересен с научной точки зрения. Если такая жизнь существует, она должна обладать уникальными адаптациями к специфическим условиям своей среды.
Главным вызовом для жизни стало бы излучение от аккреционного диска черной дыры. На Земле от подобного — но несоизмеримо менее интенсивного — излучения нас защищают:
Магнитное поле планеты, отклоняющее заряженные частицы;
Атмосфера, поглощающая большую часть вредного излучения;
Озоновый слой, блокирующий ультрафиолет.
Бланетам понадобились бы схожие защитные механизмы, но более мощные. Мы знаем, что некоторые земные организмы, например, тихоходки или бактерии Deinococcus radiodurans, способны выживать при очень высоких дозах радиации. На бланетах могли бы появиться организмы с еще более эффективными механизмами защиты.
Земная жизнь научилась использовать солнечный свет через фотосинтез. Аналогично, организмы на бланетах теоретически могли бы развить механизмы улавливания и преобразования излучения аккреционного диска. Это могло бы быть что-то похожее на фотосинтез, но адаптированное к другому спектру излучения.
Из-за особенностей орбитального движения вокруг черной дыры, смена дня и ночи на бланете могла бы существенно отличаться от земной. Это потребовало бы от живых организмов иных циклов активности и отдыха, возможно, более длительных или, наоборот, более коротких, чем у обитателей Земли.
На сегодняшний день бланеты остаются гипотетическими объектами, но изучение этой возможности имеет важное научное значение. Исследование условий формирования и существования планет в экстремальных условиях помогает нам лучше понять фундаментальные принципы планетообразования и пределы условий, в которых возможно существование материи в планетарной форме. Эти знания могут быть применены не только к гипотетическим бланетам, но и к изучению экзопланет в необычных звездных системах. В будущем, с развитием наблюдательных технологий, астрономы смогут проверить эту гипотезу и, возможно, обнаружить первые свидетельства существования планет у сверхмассивных черных дыр.
Сверхтекучий гелий (He II), задействованный в новом эксперименте, часто используют для быстрого охлаждения объектов. Однако авторы исследования нашли новое применение He II — симулирование искривленного пространства-времени под влиянием черной дыры.
Черные дыры — область пространства-времени, в которой гравитация достигает такой силы, что ничто, даже кванты света, не может ее покинуть. Такие области образуются за счет сильного сжатия звезды в стадии ее умирания. В центре Млечного Пути находится черная дыра под названием Стрелец А*, масса которого в четыре миллиона раз больше Солнца.
Поскольку подобные сверхмассивные объекты не излучают свет, астрофизики изучают черные дыры по их взаимодействию с другими космическими объектами. Так, в 2019 году Event Horizon Telescope («Телескоп горизонта событий») удалось сфотографировать силуэт черной дыры M87, то есть раскаленный диск из газа и пыли, который притянула М87. Недавно астрофизики опубликовали исследование в журнале Nature, где описали искривление пространства-времени, созданное гипотетической черной дырой.
Астрофизики создали симуляцию искривления пространства-времени, использовав установку, которая вращала сверхтекучий гелий (He II), для изучения поведения и взаимодействия черных дыр со средой. Сверхтекучесть гелия проявляется при температуре ниже 271 градуса Цельсия. Кинематическая вязкость гелия при такой температуре снижается в 100 раз по сравнению с водой, что дало возможность авторам исследования провести аналогию между гравитацией (взаимодействие без «трения») и He II.
Ученые задействовали экспериментальную установку, пропеллер внутри которой вращал охлажденный He II в экспериментальной зоне. В процессе вращения в сверхтекучем гелии образовывались квантовые вихри (замкнутые контуры потока), имитировавшие гравитационные условия вблизи черной дыры. При увеличении скорости вращения пропеллера образовывалось расширяющееся полое вихревое ядро. Астрофизики исследовали процесс испарения построенного ими экспериментального аналога черной дыры, удерживая вихревое ядро вне экспериментальной зоны и наблюдая при этом за вихревыми потоками.
Также авторы работы заметили, что квантовые вихри создавали в сверхтекучем гелии определенное поле скоростей, — это повлияло на распространение малых волн на поверхности He II. Только некоторые высокочастотные (эквивалентные высокой энергии) волны обладали возможностью распространения по поверхности гелия.
«Ключевые процессы во вращающемся искривленном пространстве-времени, такие как сверхизлучение (явление усиления отраженной от вращающейся черной дыры волны) и „звон“ черных дыр, можно исследовать в нынешней системе с небольшими корректировками скорости пропеллера, геометрии контейнера или путем динамически изменяемых параметров потока», — добавили исследователи.
Новая симуляция предоставит возможность изучать искривления пространства-времени, создаваемое черными дырами, в земных условиях, не привлекая телескопы и другую технику, которые, по описанным выше причинам, часто мало что могут в отношении такого рода объектов.
Пару лет назад делал небольшой персональный арт-проект по этой теме, "В глубинах чёрной дыры".
Комментарии