Содержание
Выяснена максимальная масса формирующих черную дыру звезд
Используя компьютерное моделирование и данные обсерваторий LIGO и Virgo, астрофизики выяснили эволюционное происхождение и максимальную массу звезд, слияние которых в черную дыру порождает гравитационные волны. Статья об открытии опубликована в The Astrophysical Journal.
Обсерватории LIGO/Virgo обнаруживают гравитационные волны с 2015 года. В основном они приходят от достаточно крупных событий — слияний двух черных дыр, двух нейтронных звезд или нейтронной звезды и черной дыры. Астрофизики научились измерять массу черных дыр перед слиянием, и оказалось, что они массивнее, чем ожидалось. Такие сливающиеся объекты, согласно данным, имеют массу по меньшей мере десять солнечных. В одном из таких случаев, GW170729, наблюдаемая масса черной дыры была равна примерно 50 массам Солнца. Но не ясно, какие звезды могут стать предшественниками таких черных дыр звездных масс и каков максимальный размер этих объектов, которые можно наблюдать с помощью детекторов гравитационных волн.
Чтобы ответить на этот вопрос, ученые из Института физики и математики Вселенной Кавли Токийского университета и НИЦ «Курчатовский институт» — ИТЭФ исследовали конечную стадию эволюции очень массивных звезд — от 80 до 130 солнечных масс — в тесных двойных системах. В таких системах массивные звезды, как оказалось, сначала теряют свою богатую водородом оболочку и становятся гелиевыми звездами с массами от 40 до 65 солнечных.
Затем в их ядрах начинает накапливаться кислород, после звезды испытывают динамические пульсации, потому что температура внутри них становится достаточно высокой, чтобы фотоны могли перейти в электрон-позитронные пары. Создание таких пар делает ядро нестабильным и ускоряет его сжатие, пока не происходит коллапс. При этом внешний слой звезды выбрасывается, в то время как внутренняя часть остывает и процесс повторяется. Пульсация повторяется до тех пор, пока не будет исчерпан весь кислород. Этот процесс называется пульсационной парной нестабильностью. В конечном итоге у звезды образуется железное ядро, и она коллапсирует в черную дыру.
Этот процесс сопровождается взрывом сверхновой.
Ученые проанализировали несколько таких пульсаций и связанных с ними выбросов массы до образования черной дыры. В итоге они обнаружили, что максимальная масса черной дыры, которая получается после взрыва пульсационной парно-нестабильной сверхновой, составляет 52 солнечных массы. Звезды, которые изначально имели массы более 130 солнечных, также в конечном итоге приходят к пульсационной парно-нестабильной сверхновой из-за взрывного сжигания кислорода, который полностью разрушает звезду, не оставляя даже черной дыры. Звезды с массой свыше 300 солнечных коллапсируют и могут образовать черную дыру с вдвое меньшей массой, чем первоначальная звезда.
Результаты нового исследования предсказывают, что существует «разрыв в массах» черных дыр между 52 и примерно 150 солнечными массами. Это значит, что черная дыра массой 50 солнечных масс в GW170729, скорее всего, является остатком пульсационной парно-нестабильной сверхновой.
Обнаружена самая маленькая и близкая к Земле чёрная дыра
22 апреля 2021
15:21
Анатолий Глянцев
Гравитация чёрной дыры растягивает звезду, меняя её форму.
Иллюстрация Lauren Fanfer.
Астрономы открыли объект, претендующий на звание самой маленькой и близкой к Земле чёрной дыры во Вселенной.
Астрономы открыли объект, претендующий на звание самой маленькой и близкой к Земле чёрной дыры во Вселенной. Пока он получил лишь неофициальное название: Единорог. За свою исключительность, а также за то, что находится в созвездии Единорога.
Когда массивная звезда заканчивает свою жизнь во вспышке сверхновой, на месте взрыва остаётся маленькое и очень плотное тело: нейтронная звезда или чёрная дыра.
Нейтронные звёзды имеют огромную плотность: кубический сантиметр их вещества весит сотни миллионов тонн. Поэтому, будучи по массе сравнимы с Солнцем, они имеют диаметр всего в несколько километров.
Согласно расчётам теоретиков, максимальная масса нейтронной звезды составляет 2,5–2,7 солнечной.
Более массивный объект при такой плотности теряет устойчивость и сжимается в чёрную дыру.
Казалось бы, массы чёрных дыр, образующихся при взрывах звёзд, должны начинаться с отметки в 2,7 солнечной. Однако долгие годы наблюдателям были известны лишь чёрные дыры массой от пяти солнц. Многие специалисты считали, что более лёгкие чёрные дыры во взрывах сверхновых вообще не образуются.
И вот в 2019 году астрономы обнаружили в созвездии Возничего чёрную дыру массой около 3,3 солнечной. Успех пришёл благодаря новому методу. Исследователи целенаправленно искали звёзды, обращающиеся вокруг чего-то невидимого и массивного. В итоге их внимание привлекла звезда 2MASS J05215658+4359220 из класса красных гигантов. У неё и был обнаружен компаньон, оказавшийся чёрной дырой.
Гравитация чёрной дыры растягивает звезду, меняя её форму.
Иллюстрация Lauren Fanfer.
Этот результат вдохновил учёных на продолжение поисков. Теперь команда исследователей, в которую входят и несколько первооткрывателей чёрной дыры в Возничем, сообщила об открытии такого же объекта в Единороге.
Чёрная дыра была найдена тем же методом. Вокруг неё тоже обращается красный гигант. Гравитация чёрной дыры не только заставляет звезду двигаться по орбите, но и вытягивает её, превращая небесное тело из шара в некое подобие дыни или картофелины. Эта деформация и скорость орбитального движения светила помогли учёным вычислить массу невидимого объекта. Она оказалась равна 3,04±0,06 солнечной.
Таким образом, Единорог – это, вероятно, самая лёгкая чёрная дыра, известная науке на сегодняшний день.
Правда, по некоторым расчётам, на месте нашумевшего столкновения нейтронных звёзд 17 августа 2017 года образовалась чёрная дыра массой 2,7 солнечной. Но, по другим данным, в результате этой катастрофы образовалась всё-таки предельно массивная нейтронная звезда.
Примечательно и то, как близко к Земле находится Единорог: до него всего 1500 световых лет (это примерно в 67 раз меньше диаметра Галактики). Авторы называют свою находку самой близкой к Земле чёрной дырой.
Однако ранее другая команда исследователей сообщала об открытии чёрной дыры всего в тысяче световых лет от Земли.
Правда, оппоненты подвергли этот результат критике.
Впрочем, астрономия – не спорт, и для науки не так уж важно, какое именно небесное тело считать «самым-самым». Гораздо важнее, что предельно лёгкие чёрные дыры действительно существуют. Причём как минимум некоторые из них находятся у нас «под боком», то есть доступны для изучения настолько, насколько это вообще можно сказать о космической невидимке.
Исследование таких экзотических чёрных дыр поможет астрономам открыть новые тайны жизни и смерти звёзд и в конечном счёте больше узнать о Вселенной, в которой мы живём.
Научная статья с результатами исследования будет опубликована в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Пока же можно ознакомиться с её препринтом.
К слову, ранее мы рассказывали о ещё одном объекте, который может оказаться предельно лёгкой чёрной дырой. Писали мы и о столкновении чёрных дыр рекордно большой массы.
Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».
наука
космос
астрономия
черные дыры
рекорды
новости
Ранее по теме
Обнаружена ближайшая к Земле черная дыра
Астрономы впервые нашли чёрную дыру-невидимку вне Галактики
Новая веха в радиоастрономии: учёные «сфотографировали» главную чёрную дыру Млечного Пути
Российские учёные открыли самую тесную двойную чёрную дыру
Гигантские пузыри в центре Галактики созданы сверхмассивной чёрной дырой
Первая в своём роде: астрономы нашли первую чёрную дыру, блуждающую по Галактике
Черные дыры имеют ограничение по размеру в 50 миллиардов солнц
Пространство
10 декабря 2015 г.
Джошуа Сокол
Даже обжоры не могут есть вечно. Когда черные дыры в сердцах галактик увеличиваются до массы, в 50 миллиардов раз превышающей массу нашего Солнца, они могут потерять газовые диски, которые используют в качестве космических кормушек.
В центре большинства галактик находится сверхмассивная черная дыра. Вокруг него находится область пространства, где газ оседает на орбитальном диске. Газ может терять энергию и падать внутрь, питая черную дыру. Но известно, что эти диски нестабильны и склонны рассыпаться на звезды.
Теоретически черная дыра может стать такой большой, что поглотит стабильную часть диска и разрушит ее. Однако большинство людей думали, что черные дыры на самом деле этого не добьются. «Нам не приходило в голову беспокоиться об этом, потому что требуемая масса была очень большой», — говорит Эндрю Кинг из Университета Лестера, Великобритания.
Реклама
Но были намеки из наблюдений, что такой предел должен существовать.
В 2008 году независимая группа под руководством Прии Натараджан из Йельского университета и Эсекьеля Трейстера из Университета Консепсьон в Чили изучила, сколько черных дыр пировали в ранней Вселенной и сколько свободного газа они могли проглотить в последнее время.
Учитывая, сколько черных дыр съели с момента зарождения Вселенной, утверждали они, самые жадные из них могли вырасти до размера около 50 миллиардов солнечных масс.
Открытие за последние несколько лет мегачерных дыр побудило Кинга вернуться к этой теме. Самые тяжелые черные дыры, которые мы сейчас видели, имеют массу, в 40 миллиардов раз превышающую массу нашего Солнца, что позволило Кингу рассчитать, насколько большой должна быть черная дыра, чтобы ее внешний край не позволял сформироваться диску. Он также пришел к цифре в 50 миллиардов солнечных масс, подтвердив предыдущие выводы.
Без диска черная дыра перестала бы расти, что сделало бы это верхним пределом. Единственным способом, которым она могла бы стать больше, было бы падение звезды или слияние с ней другой черной дыры.
Но ни один из процессов не откормит его так же эффективно, как газовый диск. «Если вы не сольетесь с другим монстром, вы почти не повлияете на массу черной дыры», — говорит Кинг.
Хотя Натараджан придумала аналогичный лимит, она считает, что подход Кинга может быть несколько упрощенным. Расчеты Кинга сосредоточены на стабильности газового диска, но Натараджан утверждает, что нельзя игнорировать и количество газа вокруг черной дыры.
По мере того, как горячий газ спиралевидно движется в черную дыру, он взрывает остальную часть диска рентгеновскими лучами, которые очищают окружающую среду. Это означает, что черная дыра, которая питается слишком быстро, может подавиться своей едой настолько, что сметает со стола, выбрасывая газ. Количество доступного газа помогает определить, когда это произойдет.
«Вы должны принять во внимание среду центральной галактики, в которую встроена черная дыра», — говорит Натараджан. «Недостаточно смотреть только на гравитационную стабильность».
Ссылка на журнал: arxiv.org/abs/1511.08502
Изображение предоставлено: Science Picture Co/Science Photo Library
Существует ли максимальный размер черной дыры?
спросил
Изменено
4 года, 4 месяца назад
Просмотрено
7к раз
$\begingroup$
Насколько я понимаю, черные дыры излучают излучение Хокинга и, вероятно, гравитационные волны, которые со временем заставляют их терять массу и в конечном итоге испаряться по прошествии почти непостижимого количества времени. Я также читал, что черные дыры в конечном итоге с трудом увеличиваются в размерах после определенного момента, потому что гравитационные силы, действующие в аккредитационном диске черной дыры, могут в конечном итоге начать выбрасывать падающую материю до того, как она сможет быть поглощена.
Хотя я знаю, что черные дыры могут стать довольно массивными, это заставляет меня задаться вопросом, есть ли у черных дыр максимально возможный размер, при котором они начинают немедленно излучать любую дополнительную массу, которая к ним добавляется. Или черная дыра может эффективно расширяться вечно, пока запас материи больше, чем эффекты излучения и выброса?
Существуют ли ограничения по размеру черных дыр?
- черная дыра
$\endgroup$
93$. Это означает, что более массивная черная дыра гораздо более устойчива к испарению, чем черная дыра с меньшей массой.
Другая проблема, которую вы упомянули, это ограниченная скорость, с которой вы можете «накормить» черную дыру. Неизбежно есть обратная связь; когда газ сжимается к горизонту событий, он нагревается и излучает излучение. Давление этого излучения может в конечном итоге уравновесить внутреннее гравитационное падение. Для сферически-симметричной аккреции это приводит к пределу Эддингтона, который устанавливает максимальную скорость сферической аккреции, где $\dot{M}_{\rm max}\propto M$.
{80}$ раз! 9{12}$ солнечных масс, . Это , по-видимому, устанавливает максимальную массу черной дыры в современной Вселенной.
Будущее — это предположения. Если скорость космического расширения продолжит ускоряться, то слияния галактик будут становиться все более редкими, а возможности для дальнейшего роста черных дыр будут ограничены.
$\endgroup$
$\begingroup$
Существует ли максимальный размер черной дыры?
№
Насколько я понимаю, черные дыры излучают излучение Хокинга
Люди так говорят, но у нас нет фактических доказательств излучения Хокинга. Однако, даже если Хокинг был на 100% прав, как сказал Роб, излучение Хокинга оказывает все меньше и меньше эффекта по мере того, как черная дыра становится все больше и больше.
и, вероятно, гравитационные волны
Черная дыра сама по себе ничего не излучает.
, который со временем заставляет их терять массу и в конечном итоге испаряться по прошествии почти непостижимого количества времени.
Нет никаких научных доказательств того, что черная дыра исчезнет. Однако есть научные доказательства того, что черные дыры существуют. В центре нашей галактики определенно есть что-то очень маленькое и очень массивное:
Я также читал, что черные дыры в конечном итоге с трудом увеличиваются в размерах после определенного момента, потому что гравитационные силы, действующие в аккредитационном диске черных дыр, могут в конечном итоге начать выбрасывать падающую материю до того, как она сможет быть поглощена.
Да, черные дыры, как говорят, «задыхаются», если пытаются съесть сразу много. См. статью в Physicsworld. Сверхмассивная черная дыра изо всех сил пытается поглотить Млечный Путь. Есть и другие проблемы, связанные с гамма-всплесками, а это означает, что черные дыры являются грязными едоками, но они все еще «едят», так сказать.
Хотя я знаю, что черные дыры могут стать довольно массивными, это заставляет меня задаться вопросом, есть ли у черных дыр максимально возможный размер, при котором они начинают немедленно излучать любую добавленную к ним массу. Или черная дыра может эффективно расширяться вечно, пока запас материи больше, чем эффекты излучения и выброса?
Последнее. Представьте, что вы находитесь рядом со сверхмассивной черной дырой. Он настолько массивен, что любое излучение Хокинга можно пренебречь. У него нет аккреционного диска, потому что он все съел или сдул. Что происходит дальше? Ты проваливаешься. Так что черная дыра становится больше.
Существуют ли ограничения по размеру черных дыр?
Нет. Если бы он был, и черная дыра в приведенном выше сценарии достигла его, вы бы не упали.
$\endgroup$
$\begingroup$
Максимальный теоретический размер не может быть меньше размера Вселенной.
Но в природе не может образоваться такая большая черная дыра.
Пожалуй, более интересны ЧД, образовавшиеся естественным путем. Самые большие естественные ЧД, которые мы знаем из сверхмассивных ЧД в галактических центрах. Мы наблюдали очень интересную взаимосвязь: Масса галактических ЧД никогда не превышает примерно 0,001 массы центральной выпуклости их родной галактики 9.0076 .
Мы не понимаем — пока — в деталях, почему это так, но есть сильное подозрение, что галактическая выпуклость и ее центральная ЧД растут одновременно и также перестают расти вместе. Была проделана работа по моделированию, которая делает это правдоподобным, но, насколько я знаю, ни у кого нет полностью удовлетворительной теории, объясняющей их происхождение и рост.
Сверхмассивные ЧД иногда сливаются после слияния их галактик-хозяев, хотя в большинстве случаев, вероятно, для этого недостаточно времени. (Нам известны галактики с несколькими сверхмассивными черными черными дырами в них.