Сколько черных дыр в нашей Вселенной?
Как известно, черные дыры трудно обнаружить, поскольку они такие же черные, как и окружающее их пространство. Мы можем точно определить их местонахождение только в особых обстоятельствах, например, когда они вытягивают газ из соседней звезды или сливаются вместе, испуская поток гравитационных волн.
Читай также: Черные дыры превращают Вселенную в зал кривых зеркал
Итак, сколько там черных дыр ? Чтобы ответить на этот вопрос, астрономы должны обратиться к теоретическим расчетам, чтобы сделать оценки. В недавнем исследовании исследователи определили, что в нашем космическом районе потенциально есть миллионы еще не обнаруженных маленьких черных дыр. Это означает, что около 1% всей материи во Вселенной заключено внутри черных дыр.
Чтобы создать черную дыру, вам нужно создать звезды, потому что черные дыры возникают в результате смерти звезд. Поэтому, чтобы выяснить, сколько черных дыр во Вселенной, исследователям, стоящим за исследованием, которое недавно появилось в журнале препринтов arXiv и было принято к публикации в The Astrophysical Journal, пришлось сделать несколько шагов назад.
Первый шаг — смоделировать эволюцию космической галактики на протяжении миллиардов лет галактической истории. В конце концов, галактики — это дома звезд. Например, некоторые галактики могут стабильно образовывать новые звезды год за космическим годом. Другие могут пострадать от событий слияния, которые запускают раунд невероятно высокого звездообразования, только для того, чтобы они сгорели и больше не производили ничего примечательного.
Читай также: Черная дыра в центре галактики может быть темной материей
Астрономы провели известные наблюдения за статистикой галактик за космическое время, отметив общую тенденцию темпов слияния галактик и демографии. Другой ключевой фактор — это так называемая “металличность“ галактики, которая является мерой количества элементов, отличных от водорода и гелия, внутри галактики (астрономы называют их “металлами“). В более крупных галактиках будет больше газа, что позволит им образовывать больше звезд.
С помощью этих строительных блоков астрономы получили модель звездного населения внутри галактик, рассказывающую им, сколько маленьких, средних и больших звезд появляется во Вселенной.
А затем им нужно было проследить эволюцию — и, самое главное, смерть — этих звезд. Для этого они обратились к моделированию, которое связывает свойства конкретной звезды (ее массу и металличность) с ее временем жизни и возможной гибелью. Лишь небольшая часть самых крупных звезд порождает черные дыры, и это моделирование сообщает астрономам, какой процент звезд в галактике гаснет каждый год.
Затем астрономам нужно было проследить эволюцию двойных систем, поскольку черные дыры могут питаться от звезд-братьев, пополняясь при этом их газом. Таким образом, черная дыра, образованная в двойной системе, в конечном итоге окажется больше, чем черная дыра, рожденная в одиночку.
Читай также: Астрономы начали охоту за гигантскими черными дырами
По мере того как черные дыры стареют, они продолжают питаться любым окружающим газом, что также оценили астрономы. Наконец, иногда черные дыры находят друг друга в темноте межзвездного пространства и сливаются вместе. Таким образом, чтобы произвести точный обзор, астрономы должны были оценить скорость слияния черных дыр в каждой галактике.
Собрав все вместе, астрономы смогли отследить популяцию черных дыр на протяжении миллиардов лет. Они произвели так называемую “функцию массы“, которая является своего рода астрономической переписью, сообщающей, сколько черных дыр каждого размера существует в любой момент времени.Неудивительно, что самые большие черные дыры, называемые сверхмассивными черными дырами , встречаются гораздо реже, чем их меньшие собратья. Исследователи обнаружили, что в каждом кубическом мегапарсеке космоса (где мегапарсек — один миллион парсеков, или 3,26 миллиона световых лет) наша Вселенная содержит около 50 миллионов черных дыр с массой Солнца.
Если каждая черная дыра в несколько раз больше массы Солнца, это означает около 10 миллионов отдельных черных дыр в том же объеме.
Читай также: Черная дыра выплевывает струи быстрее скорости света
Чтобы представить это в перспективе, общее количество массы, содержащейся в черных дырах, составляет около 10% массы, содержащейся в звездах. Итак, среди всех звезд, которые вы видите на ночном небе, между ними скрывается множество черных дыр.
С другой стороны, сверхмассивные черные дыры крайне редки, и в каждой галактике обычно обитает только один из этих монстров.
В целом, черные дыры составляют около 1% всей барионной (не темной материи) материи в космосе сегодня. Безусловно, большая часть барионной материи находится в рыхлых туманностях. А это означает, что черные дыры пугающе распространены.
Напомним, ранее сообщалось, что черные дыры могут расти за счет других дыр.
Хотите знать важные и актуальные новости раньше всех? Подписывайтесь на Bigmir)net в Facebook и Telegram.
- Теги:
- астрономия
- черные дыры
Там дыра
Полвека назад астрономы впервые высказали гипотезу, что в центре нашей Галактики находится сверхмассивная черная дыра. В подтверждение этой версии говорит множество данных, даже масса этого компактного и не излучающего объекта подсчитана, но только вчера, 12 мая 2022 года, мы смогли в лицо увидеть тьму в самом сердце Млечного Пути. О том, как ученые получили этот снимок и что на нем можно разглядеть, рассказывает Михаил Лисаков, сотрудник Института радиоастрономии Общества Макса Планка и Астрокосмического центра ФИАН.
Телескоп горизонта событий (Event Horizon Telescope, EHT) — это более 300 ученых и десяток радиообсерваторий, объединенных в одну глобальную сеть, которая работает как один огромный радиотелескоп. Его задача, как видно из названия, — как можно более детально исследовать сверхмассивные черные дыры, с таким угловым разрешением, при котором можно увидеть их горизонт событий.
Свой первый результат EHT представил в 2019 году — тогда коллаборация получила снимок тени черной дыры в центре галактики M87 (мы рассказывали об этом в материале «Заглянуть за горизонт»). Однако данные, необходимые, чтобы построить это изображения, астрономы получили еще весной 2017 года. Два года ушло на калибровку данных, разработку моделей и новых методов построения изображений.
Данные для получения изображения тени Стрельца А*, сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути, коллаборация собрала тогда же, в апреле 2017-го. Почему на то, чтобы показать его, ученым понадобилось еще три года?
Чем отличаются сверхмассивные черные дыры в M87 и Млечном Пути?
Сверхмассивная черная дыра, которую EHT продемонстрировал в 2019 году, — гигант, одна из самых массивных известных нам черных дыр. Ее масса в 6,5 миллиарда больше массы Солнца. Ее дом — гигантская эллиптическая галактика Дева А (Мессье 87) в центре сверхскопления Девы, это в 55 миллионах световых лет от Земли.
Черная дыра в М87 окружена аккреционным диском и испускает релятивистские джеты — струи заряженных частиц, двигающихся со скоростью, близкой к скорости света. Джеты в M87 хорошо видны во всем диапазоне электромагнитного спектра.
Наша черная дыра Стрелец А* (Sagittarius A*) — гораздо более обыкновенная, во Вселенной таких большинство. Она намного ближе, на расстоянии 27 тысяч световых лет от нас, а ее масса на три порядка меньше, чем у черной дыры в М87 — около 4 миллионов масс Солнца. Темп аккреции вещества на SgrA* также существенно меньше, и ничто не свидетельствует о том, что она испускает джеты.
Но она к нам ближе всего. И мы еще в 1990-х годах смогли точно определить ее массу: астрономы изучили орбиты звезд, двигающихся вокруг SgrA*, и по параметрам этих орбит подсчитали массу. При этом результаты двух групп, полученные независимо на двух различных телескопах, сошлись с хорошей точностью. В 2020 году за эту работу была присуждена Нобелевская премия по физике (подробнее читайте в нашем материале «И все-таки они существуют»).
Черная дыра в центре M87 примерно в тысячу раз тяжелее, чем SgrA*, но и в тысячу раз дальше. Поскольку размер горизонта событий черной дыры прямо пропорционален ее массе, а угловой размер на небе обратно пропорционален расстоянию, изображения теней обеих черных дыр должны быть примерно одного размера. Но получить картинку с SgrA* оказалось гораздо сложнее.
Проходя через эти облака, излучение ослабляется и изображение становится более размытым, возникают субструктуры пятна рассеяния, обнаруженные российским телескопом «Радиоастрон» (читайте об этом в материале «„Радиоастрону“ пять лет»). И поглощение, и искажение излучения приходится учитывать при построении финального изображения. Эти эффекты были теоретически предсказаны ранее, но для большинства других активных ядер галактик они малы, и на практике их почти никогда не учитывают.
Поэтому в коллаборации EHT пришлось разрабатывать методы учета таких искажений, чтобы в итоге получить четкие изображения.
«Для М87 размер горизонта событий — примерно полтора световых дня, и поэтому на этом масштабе картинка этого бублика меняется очень медленно. Если представить, что вы снимаете черную дыру в М87 обычным фотоаппаратом, то это означало бы, что вы можете держать затвор открытым восемь-девять часов. За это время картинка почти не изменится, и вы сможете спокойно все данные, собранные за этот период использовать для синтеза единого изображения, — объясняет в беседе с N + 1 Юрий Ковалев из АКЦ ФИАН. — Для черной дыры в центре нашей Галактики это совсем не так, там картина меняется намного быстрее, и это основная причина, по которой нашим коллегам потребовалось так много времени».
Размер тени SgrA* — около десяти световых минут, говорит он, то есть за несколько десятков минут движение плазмы и газа меняет картинку, а телескоп не успевает за такую короткую выдержку получить изображение.
Обычно сеанс наблюдений одного объекта с помощью EHT продолжаются 10–12 часов, но даже за один час структура кольца вокруг SgrA* может полностью измениться. Поэтому получилось так, что радиоастрономы получили множество кусочков мозаики, но все они относились к разным картинкам, потому что пока они получали эти фрагменты, изображение менялось.
Чтобы собрать из них единое изображение потребовалось пять лет.
«Участники коллаборации сгенерировали огромное количество моделей, и короткие кусочки наблюдательных данных сравнивали с результатами, которые давали разные модели и пытались выяснить, какой класс моделей лучше подходит к данным. Они нашли четыре кластера моделей, четыре типа изображений, которые согласовывались лучше всего», — говорит Ковалев.
Из этих четырех кластеров было построено финальное изображение.
Если бы EHT состоял из 100 телескопов, изменчивость SgrA* не была бы проблемой. Ученые могли бы получать качественные изображения каждые 10 минут и за одну наблюдательную сессию сделать целый фильм о том, как живет и меняется черная дыра.
Но в EHT в 2017 году было всего восемь телескопов, и для построения качественного изображения пришлось использовать вращение Земли. Благодаря ему проекция базы каждой пары телескопов меняется со временем, поэтому количество измеренных за одно наблюдение различных угловых масштабов достаточно для простого построения изображения при условии, что это изображение не меняется. Как мы знаем, для SgrA* это не так.
В будущих наблюдениях, увеличив число телескопов в составе EHT, можно будет действительно сделать видео поведения вещества вокруг черной дыры. Это позволит не только уточнить параметры самой черной дыры, но и лучше понять физику аккрецирующей плазмы.
В чем сюрприз
Как и в случае M87, изображение центра нашей Галактики выглядит как яркое кольцо с темной зоной в середине. Сами черные дыры не излучают, но вещество, которое падает на них, разогревается и ярко светится. При этом гравитация черной дыры, как линза, фокусирует излучение окружающего газа, только не за счет разницы в показателях преломления, а за счет гравитационного искривления траекторий фотонов.
«Бублики», которые мы видим в сердце М87 и Млечного Пути, создает радиоизлучение, которое испускают разогнанные до релятивистских скоростей заряженные частицы.
«Чтобы получить излучение в радиодиапазоне, надо ускорить заряженные частицы до скорости, близкой к скорости света, — объясняет Ковалев. — Мы видим фотоны от частиц, разогнанных в магнитном поле. Кроме того, мы видим фотоны, которые черная дыра не захватила, но на направление движения которых она повлияла — в большей или меньшей степени. Там есть фотоны, которые сделали оборот, два оборота вокруг черной дыры».
Фотоны, которые обернулись один или два раза вокруг черной дыры, выглядят для нас как тонкое светящееся фотонное кольцо. Его предсказывал Давид Гильберт еще в 1916 году, сразу после опубликования Общей теории относительности Эйнштейна.
«То что мы видим — это фотонное кольцо плюс другое излучение вещества, линзированное черной дырой. И все это размыто неидеальным угловым разрешением телескопа», — говорит Ковалев.
А вот темное пятно в центре — это как то, что мы не видим. Все фотоны из этой области так и не смогли избежать свидания с чёрной дырой и провалились под горизонт событий.
Аккреционный диск, газопылевой тор и прочие обитатели центра галактики
У вещества, которое пытается упасть в черную дыру, как правило, есть угловой момент, иначе говоря, вектор его скорости имеет какую-то компоненту, которая отклоняется от направления на центр черной дыры. Поэтому вещество не может сразу свалиться под горизонт событий, а должно каким-то образом этот угловой момент сначала уменьшить. Это можно эффективно сделать за счет трения и излучения в более-менее тонком диске. Это и называется аккреционным диском. Снаружи газ поступает в него из газопылевого тора.
Вращаясь вокруг черной дыры, вещество нагревается до миллионов градусов, и начинает ярко излучать, в том числе в рентгеновском диапазоне, теряет угловой момент и постепенно приближается к горизонту событий черной дыры.
Часть вещества из аккреционного диска выбрасываются наружу — так возникают джеты, струи вещества, которое летит с околосветовыми скоростями от полюсов черной дыры.
Сходство изображений из М87 и из центра нашей Галактики, вообще, — большой сюрприз. Почему-то ось вращения обеих черных дыр оказалась ориентирована почти одинаково — примерно в сторону нашей планеты.
«Удивительно, что обе эти картинки выглядит как колечки, на которые мы смотрим сверху. Почему оно не выглядит как сосиска, почему оно не выглядит как эллипс, почему оно почти круглое? Почему мы не видим это кольцо с ребра, под углом? — рассуждает Ковалёв. — Вероятность того, что это изображение будет таким, была не очень-то высокой. А так все выглядит, как будто бы SgrA* и материя вокруг него знают, откуда мы на них смотрим и повернулись так, чтобы выглядеть для нас красивее всего».
Он объясняет, что в случае с М87 это было ожидаемо: ученые знали, куда смотрит джет ее черной дыры. «Ее так и подбирали, по джету, мы знали, что ее ось вращения смотрит на нас под углом 16–18 градусов.
Там все было подобрано заранее. А тут нам повезло», — продолжает ученый.
Что мы узнали?
В 2002 году группа Райнарда Генцеля и группа Андреа Гез по результатам 10 лет наблюдения движения звезд в окрестностях центра нашей Галактики выяснили, что там находится объект массой около четырех миллионов масс Солнца, в области размером около 10 миллиардов километров. Это стало почти неопровержимым доказательством присутствия там сверхмассивной черной дыры: астрофизики не знают другого способа уместить такую массу в такой маленький объем, да еще и так, чтобы этот объект ничего не излучал.
Благодаря EHT астрономы смогли уточнить размеры этой области. Теперь мы понимаем, что тень черной дыры имеет примерно 60 миллионов километров в поперечнике, — это сравнимо с размерами орбиты Меркурия. Если заменить Солнце на черную дыру SgrA*, то Земля двигалась бы по орбите в 2000 раз быстрее, а год длился бы 4,5 часа.
Кроме того, оба измерения дали согласованные значения массы, которые в свою очередь согласуются с предсказаниями теории относительности.
Это позволяет опровергнуть многие (но не все) альтернативные гипотезы о природе компактного объекта в центре Галактики, например, голую сингулярность, некоторые модели бозонных звезд. Все эти гипотезы не вписываются в наблюдаемую картину.
Но нельзя сказать, что наблюдения EHT позволили существенно уточнить наши представления о сверхмассивной черной дыре в центре Млечного пути. Пока речь идет только о подтверждении наших гипотез.
«Мы только в начале пути. С момента открытия реликтового излучения до времени, когда измерения реликтового фона позволили существенно уточнить наши космологические представления, прошло почти 40 лет», — напоминает Ковалев.
Сотрудник Астрокосмического центра ФИАН Павел Иванов отмечает, что EHT подтвердил, что масса черной дыры близка к четырем миллионам масс Солнца. «Но говорить об улучшении точности ее определения по сравнению с результатами, полученными из наблюдений движения ярких звезд, находящихся достаточно близко к черной дыре, не приходится», — сказал он в переписке с N + 1.
«Наблюдения на Телескопе горизонта событий этих двух черных дыр близки к пределу разрешающей способности системы. А из-за несовершенства современных теоретических моделей, с которыми сравниваются наблюдения, пока мы можем говорить только о качественном соответствии наблюдений нашим представлениям», — считает Иванов.
Что дальше?
В апреле 2017 года, когда EHT получил данные, по которым были собраны изображения теней черных дыр в Млечном Пути и М87, ученые с его помощью наблюдали еще и много других объектов: галактику Центавр А, блазары 3C 279, OJ 287. Некоторые другие активные галактики наблюдались также в 2021 и 2022 годах. Поэтому можно ожидать, что результаты этих наблюдений также скоро будут представлены.
Кроме того, сам Телескоп горизонта событий постепенно растет. С 2017 года в состав EHT вошли три новых телескопа — в Гренландии, Аризоне и Франции, — а чувствительность всех телескопов стала лучше на 40 процентов. Ученые уже провели первые наблюдения на частоте 345 гигагерц.
По сравнению с 2017 годом Телескоп теперь может наблюдать объекты в два раза меньшие и в 2,5 раза более тусклые. Кроме того, излучение на новой частоте 345 гигагерц менее подвержено рассеянию, чем на прошлых 230 гигагерц, поэтому следующие изображения будут четче.
Например, ожидается, что наблюдения 2021–2022 годов позволят ученым детально разглядеть область, откуда исходит релятивистский джет черной дыры в центре галактики M87.
В планах коллаборации, очевидно, — построить изображение SgrA* в линейно поляризованном свете, а также детектировать круговую поляризацию черной дыры в M87. Это можно сделать по уже имеющимся данным, так что ученые из EHT займутся этим в ближайшее время. Черные дыры не могут иметь собственного магнитного поля, зато мы сможем увидеть его формирование в аккреционном диске и то, как оно участвует в запуске и ускорении релятивистского выброса. Наблюдение поляризованного излучения — это тот ключик, который откроет дверь к измерению магнитных полей в ближайших окрестностях черных дыр.
Измерив их, мы сможем окончательно опровергнуть все модели, альтернативные черным дырам, и, наконец, понять, как они запускают релятивистские джеты.
Михаил Лисаков
Хаббл определил массу изолированной черной дыры, блуждающей по нашей галактике Млечный Путь
По оценкам астрономов, среди звезд нашей галактики Млечный Путь бродит 100 миллионов черных дыр, но им так и не удалось окончательно идентифицировать изолированную черную дыру. После шести лет тщательных наблюдений космический телескоп НАСА «Хаббл» впервые предоставил прямые доказательства существования одинокой черной дыры, дрейфующей в межзвездном пространстве, путем точного измерения массы фантомного объекта. До сих пор все массы черных дыр определялись статистически или посредством взаимодействий в двойных системах или в ядрах галактик. Черные дыры звездной массы обычно встречаются со звездами-компаньонами, что делает этот случай необычным.
Недавно обнаруженная блуждающая черная дыра находится примерно в 5000 световых лет от нас, в спиральном рукаве Киля-Стрельца нашей галактики.
Однако ее открытие позволяет астрономам оценить, что ближайшая к Земле изолированная черная дыра звездной массы может находиться на расстоянии 80 световых лет от нас. Ближайшая к нашей Солнечной системе звезда, Проксима Центавра, находится на расстоянии чуть более 4 световых лет.
Черные дыры, блуждающие по нашей галактике, рождаются из редких чудовищных звезд (менее одной тысячной звездного населения галактики), которые по меньшей мере в 20 раз массивнее нашего Солнца. Эти звезды взрываются как сверхновые, а остатки ядра под действием гравитации сдавливаются в черную дыру. Поскольку самодетонация не является идеально симметричной, черная дыра может получить толчок и полететь через нашу галактику, как взорванное пушечное ядро.
Телескопы не могут сфотографировать своенравную черную дыру, потому что она не излучает никакого света. Однако черная дыра искажает пространство, которое затем отклоняет и усиливает звездный свет от всего, что на мгновение выстраивается точно позади нее.
Наземные телескопы, которые следят за яркостью миллионов звезд в богатых звездных полях в направлении центральной выпуклости нашего Млечного Пути, ищут предательское внезапное увеличение яркости одной из них, когда массивный объект проходит между нами и звезда. Затем Хаббл следит за наиболее интересными такими событиями.
Две команды использовали данные Хаббла в своих исследованиях — одна под руководством Кайлаша Саху из Научного института космического телескопа в Балтиморе, штат Мэриленд; а другой — Кейси Лэм из Калифорнийского университета в Беркли. Результаты команд немного различаются, но обе предполагают наличие компактного объекта.
Деформация пространства из-за гравитации объекта переднего плана, проходящего перед звездой, находящейся далеко позади него, на мгновение искривляет и усиливает свет фоновой звезды, когда она проходит перед ней. Астрономы используют явление, называемое гравитационным микролинзированием, для изучения звезд и экзопланет в примерно 30 000 событий, наблюдаемых до сих пор внутри нашей галактики.
Сигнатура черной дыры на переднем плане выделяется как уникальная среди других явлений микролинзирования. Очень сильная гравитация черной дыры растянет продолжительность события линзирования более чем на 200 дней. Кроме того, если бы промежуточный объект был звездой на переднем плане, это вызвало бы временное изменение цвета звездного света, измеренное, потому что свет от звезд переднего и заднего плана на мгновение смешался бы вместе. Но в случае с черной дырой не было замечено никакого изменения цвета.
Затем с помощью Хаббла была измерена степень отклонения изображения фоновой звезды черной дырой. Хаббл способен на исключительную точность, необходимую для таких измерений. Изображение звезды было смещено от обычного положения примерно на миллисекунду дуги. Это эквивалентно измерению диаметра 25-центовой монеты в Лос-Анджелесе, если смотреть из Нью-Йорка.
Этот метод астрометрического микролинзирования предоставил информацию о массе, расстоянии и скорости черной дыры.
Величина отклонения из-за интенсивного искривления пространства черной дырой позволила команде Саху оценить, что она весит семь солнечных масс.
Команда Лама сообщает о несколько более низком диапазоне масс, что означает, что объект может быть либо нейтронной звездой, либо черной дырой. По их оценкам, масса невидимого компактного объекта в 1,6–4,4 раза больше массы Солнца. В верхней части этого диапазона объект будет черной дырой; в нижней части это будет нейтронная звезда.
«Как бы мы ни хотели сказать, что это определенно черная дыра, мы должны сообщать обо всех возможных решениях. Сюда входят как черные дыры с меньшей массой, так и, возможно, даже нейтронная звезда», — сказала Джессика Лу из команды Беркли.
«Что бы это ни было, этот объект — первый обнаруженный остаток темной звезды, блуждающий по галактике без сопровождения другой звезды», — добавил Лам.
Это было особенно сложное измерение, потому что есть яркая, не связанная звезда, которая находится очень близко по угловому удалению от звезды-источника.
«Это все равно, что пытаться измерить крошечное движение светлячка рядом с яркой лампочкой», — сказал Саху. «Нам пришлось тщательно вычесть свет от ближайшей яркой звезды, чтобы точно измерить отклонение слабого источника».
По оценкам команды Саху, изолированная черная дыра движется по галактике со скоростью 100 000 миль в час или 160 000 километров (достаточно быстро, чтобы добраться от Земли до Луны менее чем за три часа). Это быстрее, чем у большинства других соседних звезд в этой области нашей галактики.
«Астрометрическое микролинзирование концептуально просто, но с точки зрения наблюдений очень сложно», — сказал Саху. «Микролинзирование — единственный метод, доступный для идентификации изолированных черных дыр». Когда черная дыра прошла перед фоновой звездой, расположенной 19На расстоянии 000 000 световых лет в галактической выпуклости свет звезд, идущий к Земле, усиливался в течение 270 дней, пока черная дыра проходила мимо. Однако потребовалось несколько лет наблюдений Хаббла, чтобы проследить, как положение звезды на заднем плане отклонялось из-за отклонения света черной дырой на переднем плане.
О существовании черных дыр звездной массы известно с начала 1970-х годов, но все измерения их массы — до сих пор — проводились в двойных звездных системах. Газ от звезды-компаньона попадает в черную дыру и нагревается до таких высоких температур, что испускает рентгеновское излучение. Массы около двух десятков черных дыр были измерены в рентгеновских двойных системах благодаря их гравитационному воздействию на своих компаньонов. Оценки массы колеблются от 5 до 20 солнечных масс. Черные дыры, обнаруженные в других галактиках гравитационными волнами от слияний черных дыр и объектов-компаньонов, достигают 90 солнечных масс.
«Обнаружение изолированных черных дыр даст новое представление о популяции этих объектов в нашем Млечном Пути», — сказал Саху. Но это поиск по иголке в стоге сена. Прогноз состоит в том, что только одно из нескольких сотен событий микролинзирования вызвано изолированными черными дырами.
Будущий космический телескоп NASA Nancy Grace Roman обнаружит несколько тысяч событий микролинзирования, многие из которых, как ожидается, будут черными дырами, а отклонения будут измерены с очень высокой точностью.
В статье 1916 года по общей теории относительности Альберт Эйнштейн предсказал, что его теорию можно проверить, наблюдая, как гравитация Солнца смещает видимое положение звезды на заднем плане. Это было проверено совместными усилиями астрономов Артура Эддингтона и Фрэнка Дайсона во время солнечного затмения 29 мая 1919 года. Эддингтон и его коллеги измерили смещение звезды на заднем плане на 2 угловых секунды, подтвердив теорию Эйнштейна. Эти ученые вряд ли могли себе представить, что более века спустя тот же самый метод будет использоваться — с невообразимой точностью в тысячу раз лучше — для поиска черных дыр по всей галактике.
Космический телескоп Хаббл — проект международного сотрудничества между НАСА и ЕКА (Европейское космическое агентство). Центр космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, управляет телескопом. Научный институт космического телескопа (STScI) в Балтиморе, штат Мэриленд, проводит научные операции Хаббла. STScI управляется для НАСА Ассоциацией университетов по исследованиям в области астрономии в Вашингтоне, округ Колумбия.
Черные дыры: все, что вам нужно знать
При покупке по ссылкам на нашем сайте мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.
Черные дыры — одни из самых удивительных объектов в космосе. (Изображение предоставлено: solarseven через Getty Images)Черные дыры — одни из самых странных и увлекательных объектов в космосе. Они чрезвычайно плотные, с таким сильным гравитационным притяжением, что даже свет не может ускользнуть от их хватки.
Млечный Путь может содержать более 100 миллионов черных дыр, хотя обнаружить этих прожорливых зверей очень сложно. В центре Млечного Пути находится сверхмассивная черная дыра — Стрелец А*. Колоссальное сооружение примерно в 4 миллиона раз больше массы Солнца и расположено примерно в 26 000 световых лет от Земли , согласно заявлению НАСА (открывается в новой вкладке).
Первое изображение черной дыры было получено в 2019 году коллаборацией Event Horizon Telescope (EHT).
Поразительное фото черной дыры в центре галактики M87 в 55 миллионах световых лет от Земли взволновало ученых всего мира.
Связанный: Белые дыры: что мы знаем о забытых близнецах черных дыр
Открытие черной дыры
Альберт Эйнштейн впервые предсказал существование черных дыр в 1916 году в своей общей теории относительности. Термин «черная дыра» был придуман много лет спустя, в 1967 году, американским астрономом Джоном Уилером. После десятилетий черные дыры были известны только как теоретические объекты.
Первой обнаруженной черной дырой была Лебедь X-1, расположенная в Млечном Пути в созвездии Лебедя. По данным НАСА, астрономы увидели первые признаки черной дыры в 1964 году, когда зондирующая ракета обнаружила небесные источники рентгеновского излучения . В 1971 астрономы определили, что рентгеновские лучи исходят от ярко-голубой звезды, вращающейся вокруг странного темного объекта. Было высказано предположение, что обнаруженные рентгеновские лучи были результатом того, что звездный материал отрывался от яркой звезды и «поглощался» темным объектом — всепоглощающей черной дырой.
Сколько существует черных дыр?
В центре Млечного Пути находится сверхмассивная черная дыра Стрелец A* (Sgr A*). (Изображение предоставлено: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI)По данным Научного института космического телескопа (STScI), примерно одна из каждой тысячи звезд имеет достаточную массу, чтобы стать черной дырой. Поскольку Млечный Путь содержит более 100 миллиардов характеристик, в нашей родной галактике должно быть около 100 миллионов черных дыр.
Хотя обнаружение черных дыр — сложная задача, по оценкам НАСА , в Млечном Пути может быть от 10 миллионов до миллиарда звездных черных дыр.
Ближайшая к Земле черная дыра называется «Единорог» и находится примерно в 1500 световых годах от нас. Прозвище имеет двойное значение. Мало того, что кандидат в черные дыры находится в созвездии Единорога («единорог»), его невероятно малая масса — примерно в три раза больше массы Солнца — делает его почти единственным в своем роде.
Связанный: Сколько черных дыр во Вселенной?
Изображения черной дыры
Телескоп горизонта событий, массив планетарного масштаба из восьми наземных радиотелескопов, созданный в результате международного сотрудничества, сделал это изображение сверхмассивной черной дыры в центре галактики M87 и ее тени. (Изображение предоставлено коллаборацией EHT)В 2019 году коллаборация Event Horizon Telescope (EHT) опубликовала первое в истории изображение черной дыры. EHT увидел черную дыру в центре галактики M87, в то время как телескоп изучал горизонт событий или область, за которую ничто не может уйти от черной дыры. Изображение отображает внезапную потерю фотонов (частиц света). Это также открывает совершенно новую область исследований черных дыр, теперь, когда астрономы знают, как выглядит черная дыра.
В 2021 году астрономы показали новый вид гигантской черной дыры в центре M87, показывающий, как выглядит колоссальная структура в поляризованном свете.
Поскольку поляризованные световые волны имеют другую ориентацию и яркость по сравнению с неполяризованным светом, новое изображение показывает черную дыру еще более подробно. Поляризация — это признак магнитных полей, и изображение ясно показывает, что кольцо черной дыры намагничено.
(открывается в новой вкладке)
Как выглядят черные дыры?
Черные дыры имеют три «слоя»: внешний и внутренний горизонт событий и сингулярность.
Горизонт событий черной дыры — это граница вокруг устья черной дыры, за которую свет не может выйти. Как только частица пересекает горизонт событий, она не может покинуть его. Гравитация постоянна на горизонте событий.
Внутренняя область черной дыры, где находится масса объекта, известна как ее сингулярность, единственная точка в пространстве-времени, где сосредоточена масса черной дыры.
Ученые не могут видеть черные дыры так же, как звезды и другие объекты в космосе. Вместо этого астрономы должны полагаться на обнаружение радиации, испускаемой черными дырами, когда пыль и газ втягиваются в плотные существа. Но сверхмассивные черные дыры, лежащие в центре галактики, могут быть окутаны густым слоем пыли и газа вокруг них, что может блокировать контрольные выбросы.
Истории по теме:
Иногда, когда материя притягивается к черной дыре, она рикошетом отлетает от горизонта событий и выбрасывается наружу, а не затягивается в пасть. Создаются яркие струи вещества, движущиеся с почти релятивистскими скоростями. Хотя черная дыра остается невидимой, эти мощные струи можно наблюдать с больших расстояний.
Изображение черной дыры в M87, сделанное EHT (опубликовано в 2019 году), потребовало невероятных усилий, потребовавших двух лет исследований даже после того, как изображения были сделаны. Это потому, что сотрудничество телескопов, которое охватывает множество обсерваторий по всему миру, дает поразительное количество данных, которые слишком велики для передачи через Интернет.
Со временем исследователи рассчитывают получить изображения других черных дыр и создать хранилище того, как выглядят эти объекты. Следующей целью, вероятно, будет Стрелец A*, черная дыра в центре нашей собственной галактики Млечный Путь. Стрелец А* интригует, потому что он тише, чем ожидалось, что может быть связано с магнитными полями, подавляющими его активность, сообщается в исследовании 2019 года. Другое исследование того же года показало, что Стрелец А* окружен холодным газовым ореолом, что дает беспрецедентное представление о том, как выглядит среда вокруг черной дыры.
Схема анатомии черной дыры ESO показывает, как выглядит черная дыра, и помечает различные компоненты. (Изображение предоставлено ESO)Типы черных дыр
На данный момент астрономы определили три типа черных дыр: звездные черные дыры, сверхмассивные черные дыры и промежуточные черные дыры.
Звездные черные дыры — маленькие, но смертоносные
Когда звезда сгорает до конца своего топлива, объект может разрушиться или упасть сам на себя.
Для меньших звезд (тех, которые примерно в три раза Солнца с массой ), новое ядро станет нейтронной звездой или белым карликом. Но когда более крупная звезда коллапсирует, она продолжает сжиматься и создает звездную черную дыру.
Черные дыры, образовавшиеся в результате коллапса отдельных звезд, относительно малы, но невероятно плотны. Один из этих объектов упаковывает массу, более чем в три раза превышающую массу Солнца, в диаметре города. Это приводит к безумной гравитационной силе, притягивающей объекты вокруг объекта. Затем звездные черные дыры поглощают пыль и газ из окружающих их галактик, что заставляет их расти в размерах.
Сверхмассивные черные дыры — рождение гигантов
Маленькие черные дыры населяют Вселенную, но преобладают их родственники, сверхмассивные черные дыры. Эти огромные черные дыры в миллионы или даже миллиарды раз массивнее Солнца, но имеют примерно такой же размер в диаметре. Считается, что такие черные дыры находятся в центре почти каждой галактики, включая Млечный Путь.
Ученые не уверены, как появляются такие большие черные дыры. После того, как эти гиганты сформировались, они собирают массу из пыли и газа вокруг них, материала, которого много в центре галактик, что позволяет им расти до еще более огромных размеров.
Сверхмассивные черные дыры могут быть результатом слияния сотен или тысяч крошечных черных дыр. Большие газовые облака также могут быть ответственны за схлопывание и быстрое накопление массы. Третий вариант — это коллапс звездного скопления, когда группа звезд падает вместе. В-четвертых, сверхмассивные черные дыры могут возникать из больших скоплений темной материи. Это вещество, которое мы можем наблюдать по его гравитационному воздействию на другие объекты; однако мы не знаем, из чего состоит темная материя, потому что она не излучает свет и не может наблюдаться напрямую.
Промежуточные черные дыры
Когда-то ученые думали, что черные дыры бывают только малых и больших размеров, но исследования показали возможность существования средних или промежуточных черных дыр (ЧДЧД).
Такие тела могут образовываться, когда звезды в скоплении сталкиваются в результате цепной реакции. Несколько таких IMBH, сформировавшихся в одном и том же регионе, могут в конечном итоге собраться вместе в центре галактики и создать сверхмассивную черную дыру.
В 2014 году астрономы обнаружили черную дыру промежуточной массы в рукаве спиральная галактика . А в 2021 году астрономы воспользовались древним гамма-всплеском, чтобы обнаружить его.
«Астрономы очень усердно искали эти черные дыры среднего размера», — говорится в заявлении соавтора исследования Тима Робертса из Университета Дарема в Соединенном Королевстве . «Были намеки на то, что они существуют, но IMBH вели себя как давно потерянный родственник, который не заинтересован в том, чтобы его нашли».
Исследование, проведенное в 2018 году, показало, что эти IMBH могут существовать в центре карликовых галактик (или очень маленьких галактик). Наблюдения за 10 такими галактиками (пять из которых ранее были неизвестны науке до этого последнего обзора) выявили рентгеновскую активность, характерную для черных дыр, что свидетельствует о наличии черных дыр с массой от 36 000 до 316 000 солнечных.
Информация поступила из Слоановского цифрового обзора неба, который исследует около 1 миллиона галактик и может обнаруживать вид света, который часто наблюдается от черных дыр, собирающих близлежащие обломки.
Двойные черные дыры: двойная проблема
Художественная иллюстрация сверхмассивной черной дыры с черной дырой-компаньоном, вращающейся вокруг нее. (Изображение предоставлено Caltech-IPAC)В 2015 году астрономы с помощью Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) обнаружили гравитационные волны от слияния звездных черных дыр.
«У нас есть еще одно подтверждение существования черных дыр звездной массы, которые больше 20 масс Солнца — это объекты, о существовании которых мы не знали до того, как их обнаружил LIGO», — Дэвид Шумейкер, представитель научного сотрудничества LIGO ( LSC), говорится в заявлении (откроется в новой вкладке). Наблюдения LIGO также дают представление о направлении вращения черной дыры.
Когда две черные дыры вращаются вокруг друг друга, они могут вращаться в одном и том же направлении или в противоположном направлении.
Существует две теории образования бинарных черных дыр. Первая предполагает, что две черные дыры в бинарной системе сформировались примерно в одно и то же время из двух звезд, которые родились вместе и умерли взрывом примерно в одно и то же время. Звезды-компаньоны имели бы такую же ориентацию вращения, как и две оставшиеся черные дыры.
Согласно второй модели, черные дыры в звездном скоплении опускаются к центру скопления и образуют пары. По данным LIGO Scientific Collaboration, эти компаньоны будут иметь случайную ориентацию вращения по сравнению друг с другом. Наблюдения LIGO за черными дырами-компаньонами с различной ориентацией спина дают более убедительные доказательства этой теории формирования.
«Мы начинаем собирать реальную статистику о двойных системах черных дыр», — сказал ученый LIGO Кейта Кавабе из Калифорнийского технологического института, работающий в Хэнфордской обсерватории LIGO.
«Это интересно, потому что некоторые модели формирования двойных черных дыр даже сейчас несколько предпочтительнее других, и в будущем мы можем еще больше сузить круг».
Факты о черных дырах
- Теория давно предполагает, что если вы упадете в черную дыру, гравитация растянет вас, как спагетти, хотя ваша смерть наступит до того, как вы достигнете сингулярности. Но исследование 2012 года, опубликованное в журнале Nature , предполагает, что квантовые эффекты заставят горизонт событий действовать подобно стене огня, которая мгновенно сожжет вас до смерти.
- Черные дыры не отстой. Всасывание вызвано втягиванием чего-то в вакуум, чем массивная черная дыра определенно не является. Вместо этого объекты падают в них точно так же, как они падают на все, что обладает гравитацией, например на Землю.
- Первым объектом, считающимся черной дырой, является Лебедь X-1. Лебедь X-1 был предметом дружеского пари 1974 года между Стивеном Хокингом и коллегой-физиком Кипом Торном, причем Хокинг сделал ставку на то, что источником не была черная дыра.
В 1990 году Хокинг признал поражение. - Миниатюрные черные дыры могли образоваться сразу после Большого взрыва. Быстро расширяющееся пространство могло сжать некоторые регионы в крошечные плотные черные дыры, менее массивные, чем Солнце.
- Если звезда проходит слишком близко к черной дыре, звезда может быть разорвана на части (откроется в новой вкладке).
- По оценкам астрономов, в Млечном Пути насчитывается от 10 миллионов до 1 миллиарда звездных черных дыр с массой примерно в три раза больше солнечной.
- Черные дыры остаются потрясающим материалом для научно-фантастических книг и фильмов. Посмотрите фильм «Интерстеллар», в котором Торн в значительной степени полагался на науку. Работа Торна с командой спецэффектов фильма привела к лучшему пониманию учеными того, как могут выглядеть далекие звезды, если их увидеть вблизи быстро вращающейся черной дыры.
В 1990 году Хокинг признал поражение.Дополнительные ресурсы
Погрузитесь глубже в тайну черных дыр (открывается в новой вкладке) вместе с NASA Science.
Посмотрите видео и узнайте больше о черных дырах (откроется в новой вкладке) на сайте NASA Hubble. Узнайте больше о черных дырах (откроется в новой вкладке) вместе с Национальным научным фондом.
Библиография
Сайт Хаббла: Черные дыры: Беспощадное притяжение гравитации, интерактивный (открывается в новой вкладке): Энциклопедия. ГНИЦ Главная. Проверено 6 мая 2022 г.
НАСА. Представьте вселенную! (откроется в новой вкладке) НАСА. Проверено 6 мая 2022 г.
Боэн, Б. ( 2013 г., 29 августа (открывается в новой вкладке)). Сверхмассивная черная дыра Стрелец A*. НАСА. Проверено 6 мая 2022 года .
Чандра НАСА находит интригующего члена генеалогического древа черной дыры. Рентгеновская обсерватория Чандра. (2015, 25 февраля). Проверено 6 мая 2022 г.
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space.