Содержание
Как рождаются и умирают черные дыры? Главное | Futurist
Автор: Юлия Попова |
19 июня 2018, 16:45
Сейчас много говорят о черных дырах. Они вращаются в центре галактики, каждый день поглощают массу равную половине Солнца, помнят рассвет вселенной. Черные дыры — один из самых интересных космических объектов. Вот, что мы о них знаем.
Рождение
Черные дыры начинают свою жизнь со смерти. Они рождаются, когда звезды, которые больше Солнца как минимум в три раза, полностью выгорают и взрывом отбрасывают внешнюю оболочку. Внутреннее давление разрушает ядро звезды, а она сама сжимается. Если масса звезды больше трех масс Солнца, то сжатие не остановится, и появится черная дыра.
Во вселенной звезды очень часто соседствуют с черными дырами: одни умирают, другие появляются.
Чем больше масса звезды, тем быстрее она сжигает свое топливо и потухает. Взрывная волна, вызванная смертью одной из больших звезд, сжимает огромное количество газа и пыли в космосе, это провоцирует рождение новых светил.
Так в космосе появляется много черных дыр — но далеко не все. Происхождение сверхмассивных черных дыр (они тяжелее Солнца в миллионы и миллиарды раз) до сих пор неизвестно. Астрономы выяснили, что они появились примерно 13 миллиардов лет назад и изначально были меньше. Как они появились на заре вселенной — непонятно, ведь тогда все вещество помещалось в очень маленьком пространстве.
Теорий о рождении сверхмассивных черных дыр несколько. Во-первых, они могли образоваться из-за коллапса очень плотных областей молодой вселенной. Горячий газ и пыль на заре времен сжимались в звезды, но, возможно, сразу после Большого взрыва химические процессы были иными, поэтому в некоторых регионах сжатие не прекратилось и появились черные дыры.
Сейчас сверхмассивные черные дыры существуют в центре многих галактик, отсюда вторая теория.
Возможно, они сформировались в центре молодых галактик в процессе слияния нескольких небольших черных дыр.
Но предположить, что каждая сверхмассивная черная дыра выросла из обычной, ученые не могут. Знакомые нам черные дыры слишком маленькие, чтобы за время своего существования вырасти в таких космических монстров. Ученые предполагают, что между черными дырами звездных масс и сверхмассивными объектами существует промежуточная форма — средние черные дыры, но их пока никто не обнаружил. Не потому что их нет — просто они, вероятно, расположены далеко от нас, поэтому их излучение в рентгеновском спектре теряется в излучении других космических объектов.
Жизнь
Черная дыра развивается за счет вещества, которое поглощает. Гравитационное притяжение в ней настолько велико, что никакие объекты, никакие частицы не смогут вернуться назад, если залетели в пределы черной дыры. Туда попадают развалившиеся звезды и планеты, но легче всего дыра поглощает газ: он заполняет ее, как вода ванну.
Иногда черные дыры сливаются друг с другом, и отследить это очень сложно, ведь, по сути, происходит слияние двух невидимых объектов. Впервые ученые зафиксировали этот процесс в 2015 году благодаря изучению гравитационных волн.
Смерть
Самый интересный вопрос — может ли черная дыра умереть? Теоретически, да.
Так считал Стивен Хокинг, и поэтому гипотетическая причина смерти черной дыры называется излучением Хокинга. Изначально считалось, что черные дыры ничего не излучают, ведь ни одна частица, включая частицы света, не может преодолеть их притяжение. Но квантовая физика уничтожила эту теорию.
Оказалось, что на границе черной дыры есть пары частиц и античастиц. В обычных условиях они сразу сталкиваются и взаимоуничтожаются (так появляется энергия), но здесь одна из частиц падает в черную дыру, а другая улетает в космос, тем самым забирая энергию у объекта.
Теоретически, если в дыру не будет попадать другая энергия (а она в нее попадает), то через какое-то время она полностью излучится.
Но даже при таких условиях понадобится 1054 лет, чтобы дыра начала умирать, поэтому зафиксировать излучение Хокинга на практике, скорее всего, не получится. Пока правоту ученого можно доказать только в лаборатории.
Оригинал статьи
Подпишись на еженедельную рассылку
Теги
черные дыры
космос
Фото: popsci
Астрономы впервые увидели рождение черной дыры
Астрономам впервые удалось запечатлеть момент коллапса звезды и последующее рождение сверхновой или нейтронной звезды. Источник, получивший название AT2018cow, находится в созвездии Геркулеса на расстоянии около 200 миллионов световых лет от Земли. Альтернативное объяснение, предложенное другой группой ученых, предполагает, что исследователям удалось зарегистрировать разрыв белого карлика черной дырой.
Результаты наблюдений были представлены на 233-й встрече Американского астрономического сообщества.
В июле 2018 года ученые с помощью телескопа Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System зарегистрировали на небе необычную, быстро расширяющуюся вспышку. Своей пиковой яркости, которая оказалась в 10 раз больше, чем у типичных сверхновых, она достигла в течение трех дней (обычно это происходит спустя недели). Источник вызвал настолько большой интерес со стороны астрономического сообщества, что его одновременно наблюдали 18 телескопов — это стало рекордом для явлений, сообщения о которых когда-либо поступали в The Astronomer’s Telegram. Существующие теории не могли до конца объяснить наблюдаемый феномен. Чтобы выяснить его природу, сразу две команды астрофизиков провели симуляции на основе данных наблюдений. О результатах исследователи отчитались 10 января на конференции в Сиэттле.
Первая группа ученых под руководством Рафаэллы Маргутти (Raffaella Margutti) из Северо-Западного университета получила спектры AT2018cow в большом диапазоне электромагнитных волн, от радио до гамма.
Для этого в течение 100 дней наблюдала источник с помощью телескопа NASA NuSTAR, космических обсерваторий XMM-Newton и INTEGRAL, принадлежащих Европейскому космическому агентству, а также интерферометра Very Large Array. Несмотря на то, что радиоактивный распад никеля(56Ni), который является обычным механизмом во вспышках сверхновых, не дает яркости, которая наблюдалась во время вспышки, исследователи пришли к выводу, что это все равно может быть сверхновая. Однако она должна обладать внутренним не радиоактивным источником энергии, который способен выбросить в космос огромное количество энергии за короткий промежуток времени (около 1050 −
1051,5 эрг за 1 000-100 000 секунд).
По мнению ученых, мощное оптическое и ультрафиолетовое свечение, которое было зарегистрировано в первые дни, свидетельствует о рождении сверхновой, а последующее рентгеновское излучение указывает на падение газа на компактный объект.
Таким компактным объектом, по их мнению, может быть черная дыра или нейтронная звезда. При этом Маргутти отмечает, что вспышка действительно уникальна, и, вероятно, ученым удалось впервые увидеть рождение компактного объекта «в прямом эфире».
Важно отметить, что обычно остатки сверхновой, которые быстро уносятся в космос, не позволяют увидеть то, что происходит в эпицентре взрыва. Мощность рентгеновского излучения AT2018cow позволяет предположить, что изначальная масса звезды, которая превратилась в сверхновую, была невелика. В результате облако остаточной материи оказалось относительно неплотным (его массу ученые оценивают в 0,1-1 солнечных), что позволило рентгеновским лучам покинуть центральную область.
Альтернативная гипотеза, предложенная Полом Куином (Paul M. Kuin) из Университетского колледжа Лондона и его коллегами, говорит о том, что ученым удалось увидеть, как черная дыра разорвала белого карлика — звезду, лишенную собственных источников термоядерной энергии, которая находится на финальных стадиях эволюции.
Согласно симуляции, проведенной исследователями, масса черной дыры лежит в промежутке от 100 тысяч до миллиона солнечных. Это сопоставимо с размерами центральной черной дыры в галактике CGCG 137-068, расположение которой совпадает с позицией источника AT2018cow на небе. Черные дыры такого размера обычно не встречаются за пределами центральной области, однако астрономы не исключают, что вспышка возникла в соседней галактике-спутнике или в шаровом скоплении.
Масса белого карлика, по оценкам ученых, может быть равна 0,1-0,4 массы Солнца. «Мы считаем, что приливный разрыв [белого карлика] создал быструю и действительно необычную вспышку света сначала, и он лучше всего объясняет наблюдения телескопа Swift за затухающей вспышкой», — комментирует Куин.
Дополнительные исследования в будущем помогут окончательно выяснить природу вспышки. Один из авторов статьи группы Маргутти считает, что если астрономы зарегистрировали момент рождения компактного объекта, то это откроет новую главу в понимании звездной эволюции.
«Мы смотрели на этот объект с помощью многих обсерваторий, и конечно, чем больше окон вы открываете, тем больше вы можете узнать. Однако, как мы видим с Cow, разгадка не обязательно будет простой», — отмечает он.
Недавно астрономам удалось также впервые запечатлеть момент рождения джета и получить рекордно ранние спектры сверхновой в первые моменты после вспышки — всего спустя 6 часов после ее взрыва. На основании новых данных ученые подтвердили, что по меньшей мере за несколько сотен дней до взрыва массивные красные гиганты значительно увеличивают темпы выбросов массы в окружающее пространство.
Кристина Уласович
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Неужели мы только что видели рождение черной дыры?
Художник рисует черную дыру (Лебедь X-1), вытягивающую материю из голубой звезды рядом с собой. Предоставлено: NASA/CXC/M.Weiss.
Уже почти полвека ученые придерживаются теории о том, что когда звезда подходит к концу своего жизненного цикла, она подвергается гравитационному коллапсу.
В этот момент, при наличии достаточной массы, этот коллапс вызовет образование черной дыры. Астрономы уже давно ищут информацию о том, когда и как сформируется черная дыра.
А почему бы и нет? Возможность стать свидетелем образования черной дыры была бы не только удивительным событием, но и привела бы к сокровищнице научных открытий. И, согласно недавнему исследованию группы исследователей из Университета штата Огайо в Колумбусе, мы, возможно, наконец-то сделали это.
Исследовательскую группу возглавлял Кристофер Кочанек, профессор астрономии и выдающийся ученый из штата Огайо. Используя изображения, сделанные Большим бинокулярным телескопом (LBT) и космическим телескопом Хаббла (HST), он и его коллеги провели серию наблюдений за красным сверхгигантом N69.46-Сh2.
Чтобы сломать процесс формирования черных дыр, согласно нашему нынешнему пониманию жизненных циклов звезд, черная дыра образуется после того, как звезда с очень большой массой переживает сверхновую./s3/static.nrc.nl/images/gn4/stripped/data10864344-3003f0.jpg)
Это начинается, когда звезда исчерпала свой запас топлива, а затем претерпевает внезапную потерю массы, когда внешняя оболочка звезды сбрасывается, оставляя после себя остаток нейтронной звезды.
Затем электроны снова присоединяются к отброшенным ионам водорода, что вызывает яркую вспышку. Когда синтез водорода прекращается, звездный остаток начинает остывать и тускнеть; и в конце концов остальная часть материала конденсируется, образуя черную дыру.
Представление художника о звезде в ее многомиллионной и ранее ненаблюдаемой фазе как о большом красном сверхгиганте. Предоставлено: CAASTRO / Матс Бьорклунд (Magipics)
Однако в последние годы несколько астрономов предположили, что в некоторых случаях звезды могут вспыхнуть неудавшейся сверхновой. В этом сценарии звезда с очень большой массой заканчивает свой жизненный цикл, превращаясь в черную дыру без предварительного массового выброса энергии.
Как отметила команда из Огайо в своем исследовании под названием «Поиск неудавшихся сверхновых с помощью Большого бинокулярного телескопа: подтверждение исчезающей звезды», возможно, именно это и произошло с N69.
46-Bh2, красный сверхгигант с массой в 25 раз больше солнечной, расположенный в 20 миллионах световых лет от Земли.
Используя информацию, полученную с помощью LBT, команда отметила, что N6946-Bh2 показал некоторые интересные изменения в своей светимости между 2009 и 2015 годами, когда были сделаны два отдельных наблюдения. На снимках 2009 года N6946-Bh2 выглядит как яркая изолированная звезда. Это согласуется с архивными данными, полученными HST еще в 2007 году.
Однако данные, полученные LBT в 2015 году, показали, что звезда больше не видна в видимом диапазоне, что также подтверждается данными Хаббла за тот же год. Данные LBT также показали, что в течение нескольких месяцев 2009 г., звезда испытала короткую, но интенсивную вспышку, когда она стала в миллион раз ярче Солнца, а затем постепенно угасла.
Они также сверились с данными обзора Palomar Transit Factory (PTF) для сравнения, а также с наблюдениями, сделанными Роном Арбором (британским астрономом-любителем и охотником за сверхновыми).
В обоих случаях наблюдения показали признаки вспышки в течение короткого периода в 2009 г., за которой последовало устойчивое затухание.
Художественное представление материала вокруг сверхновой 1987А. Кредит: ЕСО/Л.
В конце концов, вся эта информация согласовывалась с неудачной моделью сверхновых-черных дыр. Как сообщил профессор Кочанек, ведущий автор статьи группы, по электронной почте:
«На картине неудавшегося образования сверхновой/черной дыры этого события переходный процесс управляется неудавшейся сверхновой. Звезда, которую мы видим раньше событие представляет собой красный сверхгигант, поэтому у вас есть компактное ядро (размером с Землю) из оболочки, горящей водородом, а затем огромная, пухлая протяженная оболочка, состоящая в основном из водорода, которая может простираться до масштабов орбиты Юпитера. очень слабо связаны со звездой. Когда ядро звезды схлопывается, гравитационная масса падает на несколько десятых массы Солнца из-за энергии, уносимой нейтрино.
Этого падения гравитации звезды достаточно, чтобы отправить слабая ударная волна через пухлую оболочку, которая отправляет ее в сторону, вызывая холодный переходный процесс с низкой яркостью (по сравнению со сверхновой, примерно в миллион раз ярче Солнца), который длится около года и питается от энергии рекомбинации. Атомы в пухлой оболочке были ионизированы — электроны не связаны с атомами — по мере того как выброшенная оболочка расширяется и охлаждается, все электроны снова связываются с атомами, что высвобождает энергию для питания переходного процесса. То, что мы видим в данных, согласуется с этой картиной».0003
Естественно, команда рассмотрела все имеющиеся возможности объяснить внезапное «исчезновение» звезды. Это включало возможность того, что звезда была окутана таким количеством пыли, что ее оптический/ультрафиолетовый свет поглощался и переизлучался. Но, как они обнаружили, это не согласуется с их наблюдениями.
«Суть в том, что никакие модели, использующие пыль, чтобы скрыть звезду, действительно не работают, поэтому может показаться, что то, что есть сейчас, должно быть намного менее ярким, чем эта ранее существовавшая звезда.
» — пояснил Кочанек. «В контексте несостоявшейся модели сверхновой остаточный свет согласуется с поздним затуханием излучения материала, аккрецирующего на новообразованную черную дыру».
Естественно, потребуются дальнейшие наблюдения, прежде чем мы сможем узнать, так это было или нет. Это, скорее всего, будет связано с ИК и рентгеновскими миссиями, такими как космический телескоп Спитцер и рентгеновская обсерватория Чандра, или с одним из многих космических телескопов следующего поколения, которые будут развернуты в ближайшие годы.
Большой бинокулярный телескоп с двумя формирующими зеркалами. Кредит: НАСА
Кроме того, Кочанек и его коллеги надеются продолжить мониторинг возможной черной дыры с помощью LBT и повторно посетить объект с помощью HST примерно через год. «Если это правда, мы должны продолжать наблюдать, как объект исчезает со временем», — сказал он.
Излишне говорить, что если бы это было правдой, это открытие стало бы беспрецедентным событием в истории астрономии.
И эта новость, безусловно, вызвала волнение в научном сообществе. Как сказал Ави Леб, профессор астрономии Гарвардского университета, в интервью Universe Today по электронной почте:
: «Объявление о потенциальном открытии звезды, которая коллапсировала и образовала черную дыру, очень интересно. Если это правда, то это будет первое прямой вид родильного зала черной дыры.Картина несколько нечеткая (как и любой родильный зал), с неопределенностью свойств родившегося ребенка.Способ подтвердить, что родилась черная дыра, состоит в том, чтобы обнаружить X- лучи
«Мы знаем, что черные дыры звездной массы существуют, совсем недавно благодаря открытию гравитационных волн от их слияния командой LIGO. Почти восемьдесят лет назад Роберт Оппенгеймер и его сотрудники предсказали, что массивные звезды могут коллапсировать в черные дыры. Теперь мы может быть первое прямое свидетельство того, что этот процесс действительно происходит в природе
Но, конечно, мы должны напомнить себе, что, учитывая его расстояние, то, что мы могли наблюдать с N6946-Bh2, произошло 20 миллионов лет назад.
потенциальной черной дыры, ее образование — старая новость, но для нас это может быть одно из самых новаторских наблюдений в истории астрономии.0003
Подобно пространству и времени, значимость зависит от наблюдателя!
Предоставлено
Вселенная сегодня
Цитата :
Мы действительно только что видели рождение черной дыры? (2016, 16 сентября)
получено 15 ноября 2022 г.
с https://phys.org/news/2016-09-birth-black-hole.html
Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.
Астрономы, возможно, стали свидетелями рождения черной дыры
Изображение: Unsplash
Рассказ
Разговор
История
Разговор
Независимый веб-сайт новостей и комментариев, созданный учеными и журналистами.
Независимый веб-сайт новостей и комментариев, созданный учеными и журналистами.
Астрономы все чаще приоткрывают завесу над черными дырами. За последние несколько лет мы наконец-то сделали настоящие фотографии этих страшных существ и измерили гравитационные волны — рябь в пространстве-времени, — которые они создают при столкновении. Но мы еще многого не знаем о черных дырах. Одна из самых больших загадок заключается в том, как именно они формируются в первую очередь.
Теперь я и мои коллеги считаем, что наблюдали этот процесс, предоставив некоторые из лучших указаний на то, что именно происходит, когда формируется черная дыра. Наши результаты опубликованы в двух статьях в журналах Nature и Astrophysical Journal.
Астрономы полагают, как на основе наблюдений, так и на основании теории, что большинство черных дыр образуются, когда центр массивной звезды коллапсирует в конце ее жизни. Ядро звезды обычно обеспечивает давление или поддержку, используя тепло от интенсивных ядерных реакций. Но как только топливо такой звезды исчерпывается и ядерные реакции прекращаются, внутренние слои звезды коллапсируют внутрь под действием гравитации, сжимаясь до необычайной плотности.
Первое изображение черной дыры. Сотрудничество Event Horizon Telescope и др.
Присоединяйтесь к TNW в Валенсии!
Сердце технологий приближается к сердцу Средиземноморья
Подробнее
В большинстве случаев этот катастрофический коллапс останавливается, когда ядро звезды конденсируется в твердую сферу материи, богатую частицами, называемыми нейтронами. Это приводит к мощному рикошетному взрыву, который разрушает звезду (сверхновую) и оставляет после себя экзотический объект, известный как нейтронная звезда.
Но модели умирающих звезд показывают, что если первоначальная звезда достаточно массивна (в 40-50 раз больше массы Солнца), коллапс просто будет продолжаться, пока звезда не превратится в гравитационную сингулярность — черную дыру.
Взрывные теории
В то время как звезды, коллапсирующие с образованием нейтронных звезд, теперь регулярно наблюдают по всей Вселенной (обзоры сверхновых обнаруживают десятки новых каждую ночь), астрономы еще не совсем уверены, что происходит во время коллапса черной дыры. Некоторые пессимистичные модели предполагают, что вся звезда будет поглощена без особого следа. Другие предполагают, что коллапс в черную дыру вызовет какой-то другой взрыв.
Например, если звезда вращается во время коллапса, часть падающего материала может быть сфокусирована в виде струй, которые вылетают из звезды с большой скоростью. Хотя эти струи не будут иметь большой массы, они нанесут большой удар: если они врежутся во что-то, последствия могут быть весьма драматичными с точки зрения высвобождаемой энергии.
До сих пор лучшим кандидатом на взрыв от рождения черной дыры было странное явление, известное как длительные гамма-всплески. Было высказано предположение, что эти события, впервые обнаруженные в 1960-х годах военными спутниками, являются результатом джетов, разгоняемых до умопомрачительных скоростей новообразованными черными дырами в коллапсирующих звездах. Однако давняя проблема с этим сценарием заключается в том, что гамма-всплески также выбрасывают большое количество радиоактивных обломков, которые продолжают сиять месяцами. Это говорит о том, что большая часть звезды взорвалась в космос (как в обычной сверхновой), а не схлопнулась внутрь в черную дыру.
Хотя это не означает, что черная дыра не могла образоваться в результате такого взрыва, некоторые пришли к выводу, что другие модели дают более естественное объяснение гамма-всплесков, чем образование черной дыры. Например, при таком взрыве могла бы образоваться сверхнамагниченная нейтронная звезда, производящая собственные мощные джеты.
Тайна раскрыта?
Мои коллеги и я, однако, недавно обнаружили новое и (на наш взгляд) гораздо более подходящее событие-кандидат на создание черной дыры. Дважды за последние три года — один раз в 2019 г.и однажды в 2021 году мы стали свидетелями исключительно быстрого и мимолетного типа взрыва, который, как и гамма-всплески, возник из-за того, что небольшое количество очень быстро движущегося материала врезалось в газ в его непосредственной окружающей среде.
С помощью спектроскопии — метода, который разлагает свет на разные длины волн — мы могли сделать вывод о составе звезды, взорвавшейся для каждого из этих событий. Мы обнаружили, что спектр очень похож на так называемые «звезды Вольфа-Райе» — очень массивные и высокоразвитые звезды, названные в честь двух астрономов, Чарльза Вольфа и Жоржа Райе, которые впервые их обнаружили. Удивительно, но мы даже смогли исключить «обычный» взрыв сверхновой. Как только столкновение между быстрым веществом и его окружением прекратилось, источник практически исчез, а не светился долгое время.
Это именно то, чего можно было бы ожидать, если бы во время коллапса ядра звезда выбросила лишь небольшое количество материала, а остальная часть объекта рухнула вниз в огромную черную дыру.
Новое исследование выявило два события, которые могут принадлежать к третьему типу взрывов, длящихся очень короткое время. Билл Сакстон, NRAO/AUI/NSF
Хотя это наша любимая интерпретация, это не единственная возможность. Самая прозаическая состоит в том, что это был обычный взрыв сверхновой, но при столкновении образовалась огромная оболочка из пыли, скрывающая радиоактивные осколки из виду. Также возможно, что взрыв нового и незнакомого типа произошел от звезды, с которой мы не знакомы.
Чтобы ответить на эти вопросы, нам нужно найти больше таких объектов. До сих пор такие виды взрывов было трудно изучать, потому что они мимолетны и их трудно обнаружить. Нам пришлось использовать сразу несколько обсерваторий, чтобы охарактеризовать эти взрывы: Центр переходных процессов Цвикки, чтобы обнаружить их, Ливерпульский телескоп и Северный оптический телескоп, чтобы подтвердить их природу, а также большие обсерватории с высоким разрешением (космический телескоп Хаббла, обсерватория Близнецов).