Содержание
Черные дыры — самые страшные объекты во Вселенной / Хабр
Хэллоуин — время призраков, гоблинов и упырей, но нет ничего страшнее во Вселенной, чем черные дыры.
Черные дыры — области в космосе, где гравитация настолько сильна, что ничто не сможет вырваться. Половина Нобелевской премии по физике 2020 года была присуждена Роджеру Пенроузу за математическую работу, показывающую, что черные дыры являются неизбежным следствием теории гравитации Эйнштейна. Вторую половину разделили Андреа Гэз и Райнхард Генцель, показав, что массивная черная дыра находится в центре нашей галактики.
Черные дыры пугают по трем причинам:
Если вы упадете в черную дыру, оставшуюся после гибели звезды, вас разорвет на куски.
У массивных черных дыр в центре галактик ненасытный аппетит.
Черные дыры — это места, где нарушаются законы физики.
Я изучаю черные дыры более 30 лет. В частности, сверхмассивные, которые скрываются в центре галактик.
Большую часть времени они неактивны, но когда активны и пожирают звезды и газ, область около черной дыры может затмить всю галактику, в которой она находится. Галактики, в которых активны черные дыры, называются квазарами. Несмотря на все данные об этих объектах, полученные за последние десятилетия, мы еще многого не знаем.
Смерть от черной дыры
Считается, что черные дыры образуются при гибели массивной звезды. После того, как ядерное топливо звезды исчерпано, ее ядро схлопывается до самого плотного состояния материи, которое только можно вообразить — в сто раз более плотного, чем атомное ядро. Оно настолько плотное, что протоны, нейтроны и электроны больше не являются дискретными частицами. Поскольку черные дыры темные, их обнаруживают, когда они вращаются вокруг нормальной звезды. Ее свойства позволяют астрономам делать выводы о свойствах ее компаньона, черной дыры.
Cygnus X-1
Первой подтвержденной черной дырой стал Cygnus X-1 — самый яркий источник рентгеновского излучения в созвездии Cygnus.
С тех пор было найдено около 50 черных дыр в системах, где обычная звезда вращается вокруг черной дыры. Это ближайшие примеры из предполагаемых 10 миллионов, рассеяных по Млечному Пути.
Черные дыры — могилы материи. Ничто не может избежать их, даже свет. Судьбой тех, кто упадет в черную дыру станет спагеттификация, идею которой популяризировал Стивен Хокинг в книге «Краткая история времени». При спагеттификации гравитация черной дыры разорвала бы вас на части, разделив кости, мышцы, сухожилия и даже молекулы. Как поэт Данте описал слова над вратами ада в «Божественной комедии»: «Оставь надежду, всяк сюда входящий».
Голодный зверь в каждой галактике
Наблюдения с помощью космического телескопа Хаббл за последние 30 лет показали, что все галактики имеют черные дыры в центре.
Природа знает, как создавать черные дыры ошеломляющего диапазона масс — от мертвых звезд, в несколько раз превышающих массу Солнца, до монстров, в десятки миллиардов раз массивнее. Это похоже на разницу между яблоком и Великой пирамидой в Гизе.
Буквально в прошлом году астрономы опубликовали первое в истории изображение черной дыры и ее горизонта событий — зверя с массой 7 миллиардов солнечных масс в центре эллиптической галактики M87.
Черная дыра в галактике M87
Это более чем в тысячу раз крупнее черной дыры в нашей галактике, первооткрыватели которой получили в этом году Нобелевскую премию. Эти черные дыры большую часть времени темные, но когда их гравитация притягивает близлежащие звезды и газ, они вспыхивают, вызывая интенсивную активность и выбрасывая огромное количество излучения.
Массивные черные дыры опасны по двум причинам:
Если вы подойдете слишком близко, огромная гравитация поглотит вас.
Если они находятся в активной фазе квазара, вы будете поражены излучением энергии.
Насколько ярок квазар? Представьте, что вы парите над большим городом, например, над Лос-Анджелесом ночью. Примерно 100 миллионов огней от автомобилей, домов и улиц города соответствуют звездам в галактике.
По этой аналогии черная дыра в активном состоянии подобна источнику света диаметром 1 дюйм в центре Лос-Анджелеса, который затмевает город в сотни или тысячи раз. Квазары — самые яркие объекты во Вселенной.
Странные сверхмассивные черные дыры
Самая большая обнаруженная черная дыра весит в 40 миллиардов раз больше массы Солнца, или в 20 раз больше Млечного Пути. В то время как внешние планеты в нашей Солнечной системе обращаются по орбите один раз в 250 лет, этот гораздо более массивный объект вращается раз в три месяца. Его внешний край движется со скоростью вдвое меньше скорости света.
Как и другие черные дыры, крупные скрыты от глаз горизонтом событий. В их центрах находится сингулярность — точка в пространстве, где плотность бесконечна. Мы не можем понять внутреннюю часть черной дыры, потому что законы физики нарушаются: время замирает на горизонте событий, а в сингулярности гравитация становится бесконечной.
Хорошая новость о массивных черных дырах заключается в том, что вы можете выжить, попав в одну из них.
Их гравитация сильнее, но сила растяжения слабее, чем у маленькой черной дыры, и она не убьет вас. Плохая новость в том, что горизонт событий отмечает край пропасти. Ничто не может ускользнуть из-за горизонта событий, поэтому вы не сможете убежать и рассказать о своем путешествии.
По словам Стивена Хокинга, черные дыры медленно испаряются. В далеком будущем Вселенной, спустя много времени после того, как все звезды умрут и галактики исчезнут из поля зрения ускоряющегося космического расширения, черные дыры будут последними выжившими объектами.
Самым массивным черным дырам потребуется невообразимое количество лет, чтобы испариться. По оценкам, 10 в сотой степени или 10 со 100 нулями после него. Самые страшные объекты во Вселенной почти вечны.
Черные дыры не только пожирают звезды, они могут зажигать их заново
- Николай Воронин
- Корреспондент по вопросам науки и технологий, Би-би-си
Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.
Автор фото, Getty Images
О том, что черные дыры могут разрывать звезды на части и пожирать их останки, ученым известно давно. Однако лишь сейчас выяснилось, что черные дыры обладают и другой способностью — заново «оживить» умирающую звезду.
Во всяком случае, именно такой вывод следует из математической модели команды астрофизиков Чарлстонского колледжа.
Новое исследование, запланированное к публикации в следующем номере журнала Astrophysical Journal, может разрешить одну из главных загадок, окружающих черные дыры.
«Лебединая песня»
Обычно, если звезда подходит слишком близко к черной дыре, можно считать, что ее дни сочтены.
- Что с вами произойдет внутри черной дыры?
Гравитация приливных сил — наподобие тех, что вызывают на Земле приливы и отливы, только в миллионы раз сильнее, — сплющивает звезду и разрывает ее на куски, а затем черная дыра окончательно пожирает то, что от нее осталось.
Но если звезда относится к типу белых карликов (в такой рано или поздно, как полагают, превратится и наше Солнце), то её смерть может оказаться весьма эффектной. Примерно как на этой картинке.
Автор фото, College of Charleston
Перед поглощением термоядерные реакции внутри белого карлика окончательно затухают. Но, как показывают новые расчеты, когда приливные силы начинают одновременно сжимать и растягивать звезду в разных направлениях, колоссальное давление может заново — пусть и ненадолго — запустить в звездном ядре термоядерный процесс.
Умирающая звезда вспыхивает в последний раз — перед тем как погибнуть навсегда.
- Астрономы увидели, как черная дыра поглощает звезду
- Таинственные радиоимпульсы из глубин космоса – что это?
- Черная дыра съедает самую яркую из известных галактик
Тут, впрочем, и кроется главная загадка: для оживления звезды требуется черная дыра средней массы.
А таких во Вселенной учёные пока не нашли ни одной.
Неуловимая загадка
Во Вселенной известны два типа черных дыр. Первые образуются в результате гравитационного коллапса умирающей звезды — их называют черными дырами звездных масс и они всего лишь примерно в 100 раз тяжелее Солнца.
Именно от столкновения двух подобных объектов по Вселенной разошлись гравитационные волны, впервые зафиксированные учеными в 2015 году. Уже в 2017-м за это открытие была присуждена Нобелевская премия по физике.
Кроме того, есть супермассивные черные дыры — они тяжелее нашего Солнца в сотни тысяч, миллионы и даже миллиарды раз. Например, в центре нашей галактики Млечный путь находится черная дыра под названием Стрелец A*, масса которой превышает солнечную примерно в 4 млн раз.
Автор фото, NASA
Подпись к фото,
Так выглядит черная дыра в центре галактики в представлении художника
Теоретически должен существовать и третий тип — где-то посередине между этими двумя — но таких черных дыр астрономы пока не обнаружили.
Первый перспективный кандидат появился лишь в этом году — но его статус ещё нужно будет подтвердить.
Новое открытие может помочь ученым отыскать другие черные дыры средней массы, отслеживая «предсмертные вспышки» звёзд.
«Очень важно знать, сколько их существует — таких черных дыр средней массы, — поскольку это поможет ответить на вопрос, откуда берутся сверхмассивные дыры», — объясняет руководитель исследования, профессор астрофизики Чарлстонского колледжа Крис Фраджайл.
«Если нам удастся отыскать такие объекты с помощью этого механизма, это будет невероятным достижением», — уверен он.
Куда девается материя, когда ее затягивают в черную дыру? | Научные ребята
август 2001 г.
Исаак Ньютон определил в конце 1600-х годов, что сила гравитации обусловлена материей или, точнее, массой. Сила тяжести создается массой, а гравитация всегда притягивает другую массу. Теории Ньютона впервые появились в его знаменитой книге «Начала».
В 1700-х годах ученые размышляли о существовании массивных объектов с огромными гравитационными силами, которые сегодня мы называем черными дырами. Однако это продолжалось до тех пор, пока Эйнштейн не опубликовал свою общую теорию относительности в 1919 г.15 видно, что теория черных дыр действительно привлекла к себе широкое внимание.
Теория относительности показала, что гравитация связана с искривлением пространства и что черная дыра — это место, где искривление становится настолько экстремальным, что образуется «дыра». Представьте себе водяную кровать с плоской поверхностью. Теперь положите на него шар для боулинга, поверхность искривлена или искривлена. При большой массе, скажем, свинцового шара для боулинга, на поверхности кровати образуется «дырка». Точно так же масса искажает или искривляет пространство. Чтобы образовалась черная дыра, нужно много материи, и она должна быть сконцентрирована в небольшом пространстве.
При достаточной массе гравитационное притяжение внутри самой материи побеждает все другие силы, и материя начинает коллапсировать.
Материя продолжает коллапсировать до точки, известной как сингулярность. Эта точка имеет бесконечную массу и плотность и бесконечно мала. Влияние этой точки на пространство-время заключается в том, что оно искажается так, что ничто не может выйти из непосредственной области, даже свет. Поскольку никакой свет не может выйти, мы говорим, что область черная, отсюда и название черная дыра. Вблизи сингулярностей известные законы физики нарушаются. По этой причине значительное время и усилия тратятся на изучение этого странного явления.
В 1916 году немецкий астрофизик Карл Шварцшильд вывел уравнение для радиуса черной дыры. Этот радиус Шварцшильда, также называемый горизонтом событий, пропорционален массе черной дыры M и может быть записан как Rs = (1,48 x 10-27) умножить на M. Этот радиус представляет собой точку или расстояние от сингулярности в какой свет все еще может выйти из региона. На расстоянии меньше радиуса горизонта событий все исчезает. Хотя материя в центре на самом деле является сингулярностью, мы говорим, что это черная дыра размером с расстояние до горизонта событий.
Когда материя падает или приближается к горизонту событий черной дыры, она становится изолированной от остального пространства-времени. Он никогда не сможет покинуть этот регион. Для всех практических целей материя исчезла из Вселенной. Оказавшись внутри горизонта событий черной дыры, материя будет разорвана на мельчайшие субатомные компоненты и в конечном итоге будет сжата в сингулярность. По мере того, как сингулярность накапливает все больше и больше материи, размер горизонта событий черной дыры пропорционально увеличивается.
В то время как все думали, что материя в черной дыре исчезла навсегда, Стивен Хокинг в 1974 году предсказал, что черные дыры могут излучать энергию (излучение Хокинга). Таким образом, черная дыра может отдать часть того, что она поглотила, но делает это очень и очень медленно. Теоретически мы говорим, что черная дыра может со временем испариться за счет излучения энергии, но время, необходимое для испарения даже маленькой черной дыры, находится за пределами нашего понимания, порядка единицы с 67 нулями лет.
Потребуется значительная работа, чтобы понять эти странные явления, но пока это то, к чему нас привело наше понимание физики.
Космические исследования позволяют лучше взглянуть на черные дыры
Считается, что сверхмассивные черные дыры находятся в центре почти всех крупных галактик. Космические объекты пожирают галактический газ, пыль и звезды. Они могут даже стать тяжелее некоторых маленьких галактик.
Зная скорость питания черной дыры, ее массу и уровень радиации поблизости, исследователи могут определить, когда некоторые черные дыры испытали наибольший всплеск роста. Эта информация, в свою очередь, может рассказать им об истории Вселенной.
Поскольку такие достижения, как новые изображения, полученные космическим телескопом Джеймса Уэбба НАСА, помогают ученым понять некоторые из самых мощных сил во Вселенной, отдельное исследование в Дартмуте проясняет тайну сверхмассивных черных дыр на стадии быстрого роста, известных как активные галактические ядра.
или АГН.
«Световые сигнатуры этих объектов озадачивают исследователей уже более полувека», — говорит Тонима Тасним Ананна, научный сотрудник с докторской степенью и ведущий автор новой статьи об особом семействе черных дыр.
Image
Тонима Тасним Ананна, научный сотрудник с докторской степенью, справа, и Райан Хикокс, профессор физики и астрономии, в исторической обсерватории Шаттак в Дартмуте. (Фото Роберта Гилла)
Свет, исходящий от близких сверхмассивных черных дыр, может иметь разные цвета. Они также могут различаться по яркости и спектральным характеристикам. До недавнего времени исследователи считали, что различия зависят от угла обзора и от того, насколько черная дыра закрыта своим «тором» — кольцом газа и пыли в форме пончика, которое обычно окружает активные ядра галактик.
Но технические исследования, проведенные Ананной и другими учеными, ставят под сомнение эту модель. Ананна и Райан Хикокс, профессор физики и астрономии, обнаружили, что черные дыры выглядят по-разному, потому что на самом деле они находятся на разных стадиях жизненного цикла.
Цитата
Световые сигнатуры этих объектов озадачивают исследователей уже более полувека.
Атрибуция
Тонима Тасним Ананна, научный сотрудник с докторской степенью
Новое Дартмутское исследование показало, что количество пыли и газа, окружающих сверхмассивную черную дыру, напрямую связано с тем, насколько активно она растет. Когда черная дыра питается с высокой скоростью, энергия уносит пыль и газ. В результате он, скорее всего, не будет затемнен и будет казаться ярче.
Исследование предоставляет одни из самых убедительных доказательств того, что существуют фундаментальные различия между сверхмассивными черными дырами с разными световыми сигнатурами, и что эти различия нельзя объяснить только тем, происходит ли наблюдение через тор АЯГ или вокруг него.
«Это подтверждает идею о том, что структуры тора вокруг черных дыр не одинаковы», — говорит Хикокс, соавтор исследования. «Существует связь между структурой и тем, как она растет».
Вывод о том, что световые сигнатуры сверхмассивных черных дыр определяются скоростью подачи, а не углом обзора, был сделан в результате десятилетнего анализа близлежащих активных нейронов, проведенного международным сообществом с использованием Swift-BAT, высокоэнергетического NASA X.
-лучевой телескоп.
Для исследования, опубликованного в The Astrophysical Journal , Ананна разработала вычислительную технику для оценки влияния затемняющего вещества на наблюдаемые свойства черных дыр.
В исследовательской работе говорится, что она окончательно показывает необходимость пересмотра преобладающей теории АЯГ, которая характеризует затененные и незатененные АЯГ как похожие, несмотря на то, что они кажутся разными из-за угла обзора.
«Со временем мы сделали много предположений о физике этих объектов», — говорит Ананна, которая в 2020 году была выбрана журналом Science News в числе 10 лучших ученых, за которыми стоит следить. «Теперь мы знаем, что свойства сильно скрытых черных дыр значительно отличаются от незатененных АЯГ».
Image
Тонима Тасним Ананна, в 2020 году по версии журнала Science News признан одним из 10 лучших ученых, за которыми стоит следить. (Фото Роберта Гилла)
Ответ на мучительную загадку космоса должен позволить исследователям создать более точные модели эволюции Вселенной и того, как развиваются черные дыры.