Предельная масса черной дыры: Масса черных дыр оказалась ограниченной

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

  • 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
  • В соседней галактике найдена уникальная чёрная дыра

Сверхмассивные черные дыры в ранней Вселенной сами ограничивали свой аппетит

Интернациональный коллектив астрофизиков опубликовал результаты наблюдений, которые дали важный ключ к объяснению механизма совместной эволюции массивных черных дыр и вмещающих их галактик на ранней стадии существования Вселенной. По результатам анализа спектров 30 квазаров на красных смещениях от 5,8 до 6,6 авторы предполагают, что в ту эпоху многие сверхмассивные черные дыры в центрах галактик порождали крайне сильные потоки вещества, которые тормозили их собственный рост. Эти выводы, если они подтвердятся, потребуют модификации моделей эволюции галактик в молодой Вселенной.

В течение последних десятилетий астрономы доказали, что уже во второй половине первого миллиарда лет после Большого взрыва Вселенная была заполнена быстро формирующимися галактиками, в ядрах которых находились сверхмассивные черные дыры. Их окружали исполинские аккреционные диски, которые генерировали мощное электромагнитное излучение в широком диапазоне частот, превращающее эти дыры в очень яркие квазары. В качестве хорошего обзора, посвященного различным аспектам рождения и эволюции черных дыр, могу рекомендовать очень понятно написанную статью The Formation and Evolution of Massive Black Holes французского астрофизика Марты Волонтери, которая в 2012 году появилась в журнале Science (полный текст статьи в виде препринта доступен здесь).

В настоящее время самым старым представителем семейства первых квазаров считается J0313-1806 с полной (болометрической) светимостью 1,4×1047 эрг/сек (F. Wang et al., 2021. A Luminous Quasar at Redshift 7.642). Его излучение доходит до Земли с красным смещением z = 7,642, что соответствует возрасту порядка 670 миллионов лет после Большого взрыва (иначе говоря, приблизительно за 13 миллиардов 130 миллионов лет до нашего времени). Масса его черной дыры оценивается в (1,6±0,4)×109 солнечных масс, а ежегодный темп звездообразования в окружающей галактике составляет приблизительно 200–250 солнечных масс. Первооткрыватели квазара пришли к выводу, что эта галактика к тому времени успела накопить пылевые частицы общей массой в 70 миллионов масс Солнца — и это в дополнение к ее газовой компоненте. Вероятно, второе место принадлежит квазару P172+18, чьи отловленные на Земле фотоны были испущены через 680 миллионов лет после Большого взрыва (E. Bañados et al., 2021. The Discovery of a Highly Accreting, Radio-loud Quasar at z = 6.82).

Стоит отметить, что 13 с лишним миллиардов лет назад космический газ состоял в основном из нейтральных атомов и молекул. Однако в ту эпоху уже имело место активное рождение очень горячих и потому быстро сгорающих звезд первой генерации с массами в десятки, сотни и даже, согласно некоторым моделям, тысячи солнечных масс. В их излучении доминировали ультрафиолетовые кванты, которые выбивали электроны из газовых частиц и превращали их в ионы (этот процесс принято называть реионизацией Большого Космоса).

К концу прошлого десятилетия было известно свыше полусотни квазаров с красными смещениями в диапазоне от шести с половиной до семи. На этом фоне вполне обычными кажутся квазары с несколько меньшими сдвигами спектральных линий, чей дошедший до Земли свет был испущен уже в начале эпохи реионизации.

Авторы недавней статьи в Nature собрали детальные данные о спектрах тридцати таких квазаров с красными смещениями от 5,8 до 6,6 (12,7–12,9 млрд св.  лет). Они были получены в ходе 250-часовых наблюдений на широкополосном спектрометре X-Shooter, одном из инструментов комплекса Очень большого телескопа Европейской южной обсерватории, возведенного на горе Серро-Параналь в Чили. Напомню, что в его состав входят четыре главных телескопа с апертурой 820 см. X-Shooter смонтирован на телескопе № 2, известным также под собственный именем Куйен.

Все три десятка наблюдавшихся квазаров отличаются чрезвычайно высокой яркостью. Медианная абсолютная звездная величина этой группы (напоминаю, что она равна наблюдаемой звездной величине того же объекта, если бы он находился на дистанции 10 парсек от Земли) составила −26,9. Для сравнения, абсолютная звездная величина нашей Галактики оценивается в минус 20,9, так что разница между нею и квазарной медианой равна семи единицам. Это означает, что весь Млечный Путь светит в 2,526 = 256 раз слабее среднего квазара.

Как я только что отметил, авторов обсуждаемой работы интересовала информация о спектрах наблюдавшихся квазаров, которая собиралась как в оптическом диапазоне длин волн, так и в ближней инфракрасной зоне. Обработка этих данных выявила у четырнадцати квазаров участки с сильно уширенными линиями поглощения, сдвинутыми в сторону голубой границы оптического спектра. Отсюда следует, что они служат (точнее, служили в ту бесконечно далекую эпоху) источниками мощнейших струй вещества, чья скорость в максимуме доходила до 17% скорости света. Так что главное утверждение статьи состоит в следующем: 47 процентов наблюдавшихся квазаров активно выбрасывали в окружающее пространство мощные струи очень горячего вещества, разогнанные до субсветовых скоростей. Этот результат получен на 90-процентном уровне достоверности.

В чем же здесь фишка? Астрофизики накопили много данных о спектрах квазаров, которые существовали уже по окончании процесса реионизации. Они показывают, что доля квазаров с ветрами сравнимой силы, чье наблюдаемое излучение демонстрирует красные смещения в диапазоне от двух до четырех, составляет всего лишь от 10 до 17 процентов. Таким образом, самые древние квазары куда чаще бомбардировали межзвездную среду потоками сильно нагретого вещества, нежели квазары из позднейших эпох. Согласно оценке авторов статьи, квазары ранней Вселенной в среднем инжектировали в окружающее пространство как минимум в двадцать раз больше энергии, нежели квазары «всего лишь» с двойным или тройным красным смещением.

Этот вывод, если он подтвердится последующими наблюденияи, имеет важное значение для космологии. Принято считать, что черная дыра в ядре типичной галактики с умеренным или небольшим красным смещением в среднем на три порядка уступает по массе ее балджу. Эта оценка верна и для Млечного Пути: масса «нашей» черной дыры равна 4 миллионам солнечных масс, а масса галактического балджа вместе с перемычкой оценивается в девять миллиардов масс Солнца. Такая корреляция заставляет предположить, что массы внутригалактических черных дыр с не слишком высокими красными смещениями со временем растут приблизительно пропорционально. Этот тип совместной эволюции галактик и их черных дыр принято называть симбиозом — биологическая ассоциация тут достаточно уместна.

Однако подобная корреляция отнюдь не наблюдается для древнейших обитателей Космоса. Хотя точных данных о них пока совершенно недостаточно, результаты уже проведенных наблюдений показывают, что масса центральной дыры может (хотя и не обязана) на порядок превышать массу всей галактики. Так что для этой космической эпохи возможны как минимум еще два сценария: сначала по части роста доминируют черные дыры, которые набирают массу быстрее своих галактик, либо же начальными чемпионами роста оказываются сами галактики.

А что следует из обсуждаемой статьи? Ее авторы показали, что многие черные дыры в активных ядрах галактик ранней Вселенной быстро теряли вещество из своего окружения. Поскольку эти космические ветры-ураганы уменьшали плотность материи вблизи черных дыр, они замедляли темпы аккреции. Тем самым они замедляли увеличение массы черных дыр и одновременно добавляли галактикам барионное вещество, которое могло стать сырьем для рождения звезд. Если всё именно так и было, то сначала дыры росли быстрее звездного населения своих галактик, а позднее темпы роста тех и других более или менее сравнялись на стадии симбиоза.

Разумеется, пока это только предварительное заключение — скорее, даже гипотеза. Для ее проверки потребуются детальные (и весьма длительные) наблюдения спектров древшейших квазаров, которые скорее всего растянутся на много лет. К счастью, скоро начнет действовать Космический телескоп имени Джеймса Уэбба, который очень поможет этим исследованиям. Потом подключатся наземные супертелескопы следующего поколения, которые сооружаются в настоящее время. Один из таких астрономических инструментов будущего — Чрезвычайно Большой Телескоп с апертурой 39,3 метра, который станет флагманским инструментом Европейской Южной Обсерватории (его сооружение ведется на трехкилометровой высоте на горе Серро-Армасонес в чилийской пустыне Атакама). Вот тогда эта гипотеза будет либо подтверждена, либо опровергнута. Впрочем, не будем загадывать — время покажет.

Источник: M. Bischetti, C. Feruglio, V. D’Odorico, N. Arav, E. Bañados, G. Becker, S. E. I. Bosman, S. Carniani, S. Cristiani, G. Cupani, R.  Davies, A. C. Eilers, E. P. Farina, A. Ferrara, R. Maiolino, C. Mazzucchelli, A. Mesinger, R. A. Meyer, M. Onoue, E. Piconcelli, E. Ryan-Weber, J.-T. Schindler, F. Wang, J. Yang, Y. Zhu & F. Fiore. Suppression of black-hole growth by strong outflows at redshifts 5.8–6.6 // Nature. 2022. DOI: 10.1038/s41586-022-04608-1.

Алексей Левин

«Хаббл» определил массу чёрной дыры, блуждающей по Млечному Пути / Хабр

После шести лет тщательных наблюдений космический телескоп НАСА «Хаббл» впервые предоставил прямые доказательства существования изолированной чёрной дыры, дрейфующей в межзвездном пространстве, путем точного измерения массы объекта. До сих пор все массы чёрных дыр определялись статистически или посредством взаимодействий в двойных системах или в ядрах галактик. 

Недавно обнаруженная блуждающая чёрная дыра находится примерно в 5000 световых лет от нас, в спиральном рукаве Киля-Стрельца нашей галактики. Её открытие позволяет астрономам оценить, что ближайшая к Земле изолированная чёрная дыра звездной массы может находиться на расстоянии 80 световых лет от Земли.  

Ближайшая к нашей Солнечной системе звезда, Проксима Центавра, находится на расстоянии немногим более 4 световых лет. Чёрные дыры, блуждающие по нашей галактике, рождаются из редких звезд (менее одной тысячной общего состава галактики), которые имеют размер не менее 20 раз массивнее нашего Солнца. Эти звезды взрываются как сверхновые, а остатки ядра под действием гравитации сдавливаются в чёрную дыру. Поскольку самодетонация не является идеально симметричной, чёрная дыра может получить толчок и полететь через нашу галактику, как взорвавшееся пушечное ядро.

Телескопы не могут сфотографировать такие объекты, потому что они не излучают никакого света. Однако чёрная дыра искажает пространство, которое затем отражает и усиливает звёздный свет.

Наземные телескопы, которые отслеживают яркость миллионов звезд в направлении центральной выпуклости нашего Млечного Пути, фиксируют внезапное увеличение яркости одной из них, когда массивный объект проходит между Землёй и звездой. 

Две группы астрономов использовали данные «Хаббла» в своих исследованиях: одну возглавлял Кайлаш Саху из Научного института космического телескопа в Балтиморе, штат Мэриленд; а другую — Кейси Лэм из Калифорнийского университета в Беркли. Результаты команд немного различаются, но обе предполагают наличие некоего объекта.

Деформация пространства из-за гравитации объекта переднего плана, проходящего перед звездой, находящейся далеко позади него, на мгновение изгибает и усиливает свет фоновой звезды. Астрономы используют явление, называемое гравитационным микролинзированием, для изучения звезд и экзопланет в примерно 30 000 событий, наблюдаемых до сих пор внутри нашей галактики.

След чёрной дыры на переднем плане выделяется как уникальный среди других событий микролинзирования. Очень сильная гравитация чёрной дыры растянет продолжительность события линзирования более чем на 200 дней. Кроме того, если бы промежуточный объект был звездой переднего плана, 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 этой чёрной дырой не было замечено никакого изменения цвета.

«Хаббл» использовали для измерения величины отклонения изображения фоновой звезды чёрной дырой. 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 чёрной дыры. Величина отклонения из-за интенсивного искривления пространства чёрной дырой позволила команде Саху оценить, что она весит семь солнечных масс.

Команда Лэма сообщает о несколько более низком диапазоне масс, а это означает, что объект может быть либо нейтронной звездой, либо чёрной дырой. По оценкам астрономов, масса невидимого компактного объекта в 1,6–4,4 раза больше массы Солнца. В верхней части этого диапазона объект будет чёрной дырой; в нижней части это будет нейтронная звезда.

«Как бы нам ни хотелось сказать, что это определенно чёрная дыра, мы должны сообщить обо всех возможных решениях. Сюда входят как чёрные 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 тёмной звезды, блуждающий по галактике без сопровождения другой звезды», — добавил Лэм.

По оценкам команды Саху, изолированная чёрная дыра движется по галактике со скоростью 160 000 километров в час (этой скорости достаточно, чтобы совершить путешествие с Земли на Луну менее чем за три часа). Она перемещается быстрее, чем большинство соседних звезд в этой области нашей галактики.

Когда чёрная дыра прошла перед фоновой звездой, расположенной в галактической выпуклости на расстоянии 19 000 световых лет, свет звезды, идущий к Земле, усиливался в течение 270 дней. Однако потребовалось несколько лет наблюдений, чтобы проследить, как положение звезды на заднем плане менялось из-за отклонения света чёрной дырой на переднем плане.

О существовании чёрных дыр звездной массы было 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 чёрную дыру и нагревается до таких высоких температур, что испускает рентгеновские лучи. Массы около двух десятков чёрных дыр были измерены в рентгеновских двойных системах благодаря их гравитационному воздействию на своих компаньонов. Оценки массы колеблются от 5 до 20 солнечных масс. Чёрные дыры, обнаруженные в других галактиках гравитационными волнами от их слияний с объектами-компаньонами, имеют массу до 90 масс Солнца.

«Обнаружение изолированных чёрных дыр даст новое представление о популяции этих объектов в нашем Млечном Пути», — сказал Саху. 

Пока астрономы получили лишь первое свидетельство того, что существуют одинокие чёрные дыры, блуждающие по нашей галактике. В теории их количество может доходить до 100 млн. 

Ранее «Хаббл» сделал крупнейшее изображение в ближнем инфракрасном диапазоне, которое может помочь найти самые редкие галактики во Вселенной. Международная группа учёных уже нанесла на карту области звездообразования во Вселенной и пытается узнать, как возникли самые ранние и самые далекие галактики.

Есть ли максимальный размер черной дыры?

Спросил

Изменено
4 года, 2 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 добавленную к ним массу. 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

$\endgroup$

2
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 $\dot{M}_{\rm max}\propto M$. То есть максимальная скорость аккреции пропорциональна массе черной дыры.

Если аккреция происходит на пределе Эддингтона, то масса черной дыры растет экспоненциально со временем и с характерным временным масштабом удвоения около 50 миллионов лет (независимо от исходной массы — некоторые математические подробности см. на этой странице Physics SE).

Если бы черные дыры были ограничены этой скоростью аккреции (хотя присутствие очень ярких квазаров с большим красным смещением свидетельствует о том, что они могут превышать ее), то максимальная масса черной дыры будет зависеть от возраста Вселенной и размер начальных «затравочных» черных дыр. {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, возможно, 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 дополнительную массу, которая к ним добавляется. 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 9.0038 .

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 того, как сливаются их родительские галактики, хотя в большинстве случаев, вероятно, для этого недостаточно времени. (Нам известны галактики с несколькими сверхмассивными черными черными дырами в них. )

Если сложить все это воедино, то самые большие ЧД, встречающиеся в природе, будут в несколько раз превышать 0,001 массы самых больших галактических выпуклостей, и будут образовываться при слиянии нескольких особо крупных галактик и их сверхмассивных ЧД в конечном итоге также сливаются.

$\endgroup$

0

Есть ли предел размера черной дыры?

Спросил

Изменено
2 года, 3 месяца назад

Просмотрено
862 раза

$\begingroup$

Масса звезды ограничена примерно парой сотен масс Солнца. Скорость синтеза сильно зависит от плотности (именно поэтому самые массивные звезды имеют чрезвычайно короткое время жизни), поэтому, если звезда была достаточно массивной (выше предела Эддингтона), то давление излучения разорвало бы ее на части.

Теперь у черной дыры тоже есть излучение, но оно по определению не способно вырваться из-за гравитации. Но есть ли какой-то предел размера. Представьте, что вся материя во Вселенной образовала черную дыру. Это должно быть возможно или есть закон, который запрещает это делать?

  • черная дыра

$\endgroup$

1

$\begingroup$

Общая теория относительности не ограничивает размер черной дыры, и у нас есть хорошие (косвенные) наблюдения черных дыр с массой более миллиарда солнц.

Черные дыры не являются объектами, удерживаемыми вместе гравитацией, и которые могут быть разорваны на части, если увеличить силы, противодействующие этой гравитации. Это (в ОТО) сингулярности: полный коллапс материи в точку. Внутри черной дыры нет «объекта», который мог бы излучать излучение.

Если бы вся материя во Вселенной была черной дырой, то эта сингулярность была бы во всем нашем будущем. Мы бы не «увидели» сингулярность, потому что она находится в будущем, а не в прошлом. На самом деле вселенная, в которой есть одна черная дыра, может выглядеть как та, в которой мы живем.

$\endgroup$

2

$\begingroup$

Теоретического предела нет. Если бы у вас было достаточно энергии, чтобы двигать звезды или галактики, теоретически вы могли бы продолжать подпитывать черную дыру, пока она не станет невероятно большой, даже больше, чем, например, Млечный путь. Но есть практические пределы, за которыми черные дыры вряд ли вырастут.

Этому есть две причины: 1) черные дыры неэффективно поглощают материю. Они могут выплевывать до 90% энергии материи, попадающей в них, и 2) когда они достигают определенного размера, черные дыры становятся слишком большими, чтобы образовывать аккреционные диски, поэтому материя имеет тенденцию вращаться вокруг них, а не воронкой. в них.

Источник и источник.

Что касается вашего 2-го вопроса

Представьте, что вся материя во Вселенной образовала черную дыру.
Это должно быть возможно или есть закон, который запрещает это делать?

Я сам обдумывал этот вопрос и не знаю ответа. Существует ли размер, после которого Темная Энергия преодолеет гравитацию? Темная энергия, действующая внутри черной дыры, может преодолеть гравитацию после определенного размера, но это всего лишь мое предположение новичка, и я думаю, что черная дыра должна быть в миллиарды световых лет в поперечнике, чтобы это произошло.

Я не знаю ответа на этот вопрос. Хотя мне было бы любопытно, если кто-нибудь это сделает.

$\endgroup$

$\begingroup$

Согласно статье в NewScientist существует естественный предел размера:

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.

Но были наблюдательные намеки на то, 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.

Итак, это действительно семантический аргумент. Верхний предел не был бы физическим пределом — если бы вы могли каким-то образом соединить двух этих гигантов массой 50 миллиардов, они бы объединились, чтобы образовать одного из 100 миллиардов масс Солнца, — но одним из того, что я бы назвал «возможностью поедания». В конце концов черная дыра поглотит весь газ на доступном расстоянии и больше не сможет расти.

$\endgroup$

Исследователи выяснили происхождение и максимальную массу массивных черных дыр

Кавли Институт физики и математики Вселенной

Схематическая диаграмма пути формирования двойной черной дыры для GW170729. Звезда с массой менее 80 масс Солнца эволюционирует и превращается в сверхновую с коллапсом ядра. Звезда не испытывает парной нестабильности, поэтому не происходит значительного выброса массы пульсацией. После того, как звезда сформирует массивное железное ядро, она коллапсирует под действием собственной гравитации и образует черную дыру с массой менее 38 масс Солнца. Звезда с массой от 80 до 140 масс Солнца эволюционирует и превращается в сверхновую с пульсирующей парной нестабильностью. После того, как звезда образует массивное углеродно-кислородное ядро, в ядре происходит катастрофическое образование электронно-позитронной пары. Это возбуждает сильную пульсацию и частичный выброс звездных материалов. Выброшенные материалы образуют околозвездное вещество, окружающее звезду. После этого звезда продолжает развиваться и формирует массивное железное ядро, которое коллапсирует подобно обычной сверхновой с коллапсом ядра, но с более высокой конечной массой черной дыры в пределах 38-52 масс Солнца. Эти два пути могут объяснить происхождение обнаруженных масс двойных черных дыр в гравитационно-волновом событии GW170729.. Авторы и права: Шинг-Чи Леунг и др./Kavli IPMU

Путем моделирования умирающей звезды группа исследователей-физиков-теоретиков установила эволюционное происхождение и максимальную массу черных дыр, обнаруженных при обнаружении гравитационных волн.

Захватывающее обнаружение гравитационных волн с помощью LIGO (лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) и VIRGO (интерферометрическая гравитационно-волновая антенна Virgo) показали наличие сливающихся черных дыр в тесных двойных системах.

Были измерены массы наблюдаемых черных дыр перед слиянием, и оказалось, что они имеют гораздо большую, чем ожидалось ранее, массу примерно в 10 раз больше массы Солнца (солнечной массы). В одном из таких событий, GW170729, наблюдаемая масса черной дыры до слияния на самом деле равна примерно 50 массам Солнца. Но неясно, какие звезды могут образовать такую ​​массивную черную дыру или каков максимальный размер черных дыр, наблюдаемых детекторами гравитационных волн.

Чтобы ответить на этот вопрос, исследовательская группа Института физики и математики Вселенной Кавли (Kavli IPMU), состоящая из исследователя проекта Шинг-Чи Люна (в настоящее время в Калифорнийском технологическом институте), старшего научного сотрудника Кеничи Номото. и приглашенный старший научный сотрудник Сергей Блинников (профессор Института теоретической и экспериментальной физики в Москве) исследовали заключительную стадию эволюции очень массивных звезд, в частности, звезд массой от 80 до 130 солнечных в тесных двойных системах.

Эволюционный процесс пульсационной пары-неустойчивости сверхновой. Авторы и права: Шинг-Чи Леунг и др.

В тесных двойных системах первоначально звезды с массой от 80 до 130 солнечных теряют свою богатую водородом оболочку и становятся гелиевыми звездами с массой от 40 до 65 солнечных. Когда звезды начальной солнечной массы формируют богатые кислородом ядра, звезды испытывают динамическую пульсацию, поскольку температура внутри звезд становится достаточно высокой для преобразования фотонов в электрон-позитронные пары. Такое «создание пар» делает ядро ​​нестабильным и ускоряет сокращение до коллапса.

В сверхсжатой звезде происходит взрывное сгорание кислорода. Это вызывает коллапс, а затем быстрое расширение звезды. Часть звездного внешнего слоя выбрасывается, а внутренняя часть остывает и снова коллапсирует. Пульсация (схлопывание и расширение) повторяется до тех пор, пока не будет исчерпан кислород. Этот процесс называется пульсационной парной нестабильностью (PPI). Звезда образует железное ядро ​​и, наконец, коллапсирует в черную дыру, которая вызовет взрыв сверхновой, известный как PPI-сверхновая (PPISN).

Рассчитав несколько таких пульсаций и связанных с ними выбросов массы до тех пор, пока звезда не сколлапсирует, чтобы сформировать черную дыру, команда обнаружила, что максимальная масса черной дыры, образовавшейся из пульсирующей парной нестабильности сверхновой, составляет 52 массы Солнца.

  • The thick blue line shows the contraction and final expansion of the 200 solar mass star which is disrupted completely with no black hole left behind (PISN: pair-instability supernova). Top left area enclosed by the black solid line is the region where a star is dynamically unstable. Credit: Shing-Chi Leung et al.»>

    Красная линия показывает временную эволюцию температуры и плотности в центре звезды с начальной массой 120 солнечных (PPISN: пульсирующая сверхновая с парной нестабильностью). Стрелки показывают направление времени. Звезда пульсирует (т. е. дважды сжимается и расширяется), совершая отскоки в точках № 1 и № 2, и, наконец, коллапсирует по линии, аналогичной линии звезды массой 25 солнечных (тонкая синяя линия: CCSN (сверхновая с коллапсом ядра)). Толстая синяя линия показывает сжатие и окончательное расширение звезды массой 200 солнечных, которая полностью разрушается, не оставляя черной дыры (PISN: сверхновая с парной нестабильностью). Верхняя левая область, обведенная черной сплошной линией, — это область, в которой звезда динамически нестабильна. Авторы и права: Шинг-Чи Леунг и др.

  • Красная линия (соединяющая красные точки моделирования) показывает массу черной дыры, оставшейся после взрыва сверхновой с пульсирующей парной нестабильностью (PPISN), по сравнению с начальной звездной массой. Красная и черная пунктирные линии показывают массу ядра гелия, оставшегося в двойной системе. Красная линия ниже пунктирной линии, потому что часть массы ядра теряется из-за пульсирующей потери массы. (Сверхновая с парной нестабильностью, PISN, взрывается полностью, не оставляя остатка.) Пик красной линии показывает максимальную массу черной дыры, равную 52 массам Солнца, которую можно наблюдать с помощью гравитационных волн. Авторы и права: Шинг-Чи Леунг и др.

  • Below 38 solar mass is the black hole formed by a massive star undergoing CCSN. In addition to GW170729, GW170823 is a candidate of a PPISN in the lower mass limit side. Credit: Shing-Chi Leung et al.»>

    Массы пары черных дыр (обозначены тем же цветом), слияние которых породило гравитационные волны (ГВ), обнаруженные продвинутыми LIGO и VIRGO (названия событий слияния GW150914–GW170823 указывают год-месяц-день). Коробка, заключенная в 38–52 массы Солнца, представляет собой диапазон остаточной массы, созданный PPISNe. Массы черных дыр, попадающие внутрь этого ящика, должны иметь происхождение PPISN до коллапса. Ниже 38 солнечных масс находится черная дыра, образованная массивной звездой, подвергающейся CCSN. В дополнение к GW170729, GW170823 является кандидатом PPISN на стороне нижнего предела массы. Авторы и права: Шинг-Чи Леунг и др.

Звезды, изначально более массивные, чем 130 солнечных масс (которые образуют гелиевые звезды, более массивные, чем 65 солнечных масс), подвергаются процессу парной нестабильности сверхновой из-за взрывного горения кислорода, которое полностью разрушает звезду без остатка черной дыры. Звезды массой более 300 масс Солнца коллапсируют и могут образовать черную дыру массой более 150 масс Солнца.

Приведенные выше результаты предсказывают, что в массе черной дыры существует «массовый разрыв» между 52 и примерно 150 массами Солнца. Результаты означают, что черная дыра массой 50 солнечных в GW170729, скорее всего, является остатком сверхновой с пульсирующей парной нестабильностью.

Результат также предсказывает, что массивная околозвездная среда образуется в результате пульсирующей потери массы, так что взрыв сверхновой, связанный с образованием черной дыры, вызовет столкновение выброшенного материала с околозвездным веществом, чтобы превратиться в сверхсветящиеся сверхновые. Будущие сигналы гравитационных волн обеспечат основу для проверки их теоретических предсказаний.

Узнайте больше

Либо самая тяжелая из известных нейтронных звезд, либо самая легкая из известных черных дыр: LIGO-Virgo находит таинственный объект в «массовом разрыве»

Дополнительная информация:
Шинг-Чи Леунг и др.