Как узнать средний вес черной дыры. Все о черных дырах

Глава 8 Черные дыры Горизонт стремительно загибался всё круче и круче, и казалось, что все мы находимся на дне колоссального кувшина. Аркадий Стругацкий, Борис Стругацкий «Понедельник начинается в субботу» Темные звезды Мичелла-Лапласа Как ни странно, чтобы начать

Черные дыры и релятивистские звезды во Вселенной Думаю, что для создания шмеля требуется больше мудрости, чем для создания черной дыры. Юстейн Горде «Апельсиновая девушка» Теперь мы много знаем о черных дырах, но все выводы сделаны на основании теоретических положений.

Черные дыры в многомерной ОТО Итак, шаг за шагом многомерные пространства становятся неотъемлемой частью различных физических моделей. Вместе с этим все больше внимания привлекает и обобщение ОТО на более чем четыре измерения (без других модификаций и дополнений), так

3 ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ ОТКРЫТЫ И ОТВЕРГНУТЫ глава, в которой законы искривленного пространства Эйнштейна предсказывают черные дыры, а сам Эйнштейн их отвергает«Важным результатом этого исследования, - писал Эйнштейн в технической статье в 1939 г., - является объяснение того,

5. Черные дыры Черная дыра Гаргантюа играет в «Интерстеллар» ключевую роль. В этой главе мы ознакомимся с общими сведениями о черных дырах, а в следующей – перейдем непосредственно к Гаргантюа. Начну я со странного заявления: черные дыры состоят из искривленного

Черные дыры и аккреционные диски Но как из столь маленькой области может исходить так много энергии? Если взять фундаментальные силы природы, то вариантов три: химическая энергия, ядерная энергия или гравитационная энергия.Химическая энергия – это энергия, которая

Глава 5. Черные дыры Больше о черных дырах и о том, как мы узнали о них то, что, как нам кажется, мы знаем: «Черные дыры и складки времени» [Торн 2009], Gravity’s Fatal Attraction: Black Holes in the Universe , а также лекция, которую я прочитал в 2012 году на вечере в честь

В июле прошлого года в Nature была опубликована статья группы ученых во главе с сотрудниками Тулузского университета, группа занималась поиском ультрамощных рентгеновских источников — объектов, светимость которых превышает максимально возможную светимость для объектов звездной массы. Используя наблюдения космического рентгеновского телескопа Newton Европейского космического агентства (ESA), ученые обнаружили в галактике ESO 243-29, которая удалена от нас на 300 млн световых лет (в то время как свет до Земли от Солнца идет 8 с небольшим минут, а от ближайшей к нам звезды, не являющейся Солнцем, — более четырех лет), очень яркий рентгеновский источник. Максимальная светимость этого объекта составляет 1,1.10 42 эрг/с, что, к примеру, в 260 млн раз превышает светимость Солнца в рентгеновском диапазоне. Источник получил название HLX-1 (Hyper-Luminous X-ray source 1), что переводится как «гипермощный рентгеновский источник номер один».

Оценка яркости позволила ученым предположить, что данный объект является черной дырой массой не менее 500 солнечных масс.

До сих пор у астрономов были наблюдаемые свидетельства существования только двух типов черных дыр — одни сверхмассивные, а другие с массами как у звезд.

Один вид — это черные дыры, массы которых сравнимы с массами звезд (3—20 масс Солнца). Эти дыры возникают в конце жизни массивных звезд, и на данный момент астрономам известно несколько десятков таких объектов. Зато сверхмассивных черных дыр (с массой порядка 10 9 масс Солнца и более) известно гораздо больше — их количество уже превысило тысячу. Это легко объясняется тем, что астрономы знают, где искать такие дыры: они находятся в ядрах галактик.

Согласно довольно распространенной теории, сверхмассивные черные дыры образуются в результате слияния черных дыр меньшей массы. Однако черные дыры средней массы никак не удавалось обнаружить, и ученым, работающим в этом направлении, пока похвастаться было нечем, кроме нескольких невыдающихся кандидатов.

За прошедший год ученые провели новые наблюдения и подтвердили свои предположения о том, что HLX-1 является черной дырой средней массы.

В ходе исследований ученые наблюдали HLX-1 на VLT — телескопе Южной европейской обсерватории (ESO) в Чили. По наблюдениям в оптическом диапазоне им удалось определить точное расстояние до объекта и подтвердить, что он «действительно находится в этой галактике и не является ни звездой, ни фоновым источником».

«После нашей предыдущей работы мы очень хотели выяснить, насколько предложенная нами модель соответствует действительности, — рассказал Клаас Вирсема, ведущий автор статьи. — На изображениях с больших телескопов мы видели небольшой оптический источник на месте нашего рентгеновского объекта. Наблюдения на VLT подтвердили, что это оптическое излучение связано с HLX-1. Мы определили точное расстояние до объекта, подтвердили, что там есть черная дыра. Теперь мы хотим узнать, почему этот источник так ярко светит в рентгене и как он попал в большую галактику».

Ранее считалось, что столь яркие рентгеновские источники, как HLX-1, не могут быть такими яркими, так как черная дыра должна поглощать большую часть света, который проходит мимо нее.

«Очень трудно объяснить физику этого объекта без наличия черной дыры промежуточной массой от 500 до 10 000 масс Солнца, — говорит один из авторов статьи, Шон Фаррелл. — Таким образом, но это только пока, источник HLX-1 находится вне контроля со стороны международного астрономического сообщества».

В дальнейших планах ученых — наблюдения на космическом телескопе имени Хаббла и попытка найти другие источники, подобные HLX-1.

Американские и австралийские астрофизики обнаружили кандидата в черные дыры средней массы. Такое название они получили потому, что тяжелее обычных - то есть формирующихся в результате гравитационного коллапса звезд - объектов, но легче сверхмассивных черных дыр, как правило расположенных в активных ядрах крупных галактик. Происхождение необычных объектов до сих пор остается неясным. Ниже мы рассказыжем о черных дырах промежуточных масс и об открытии ученых.

Большинство известных ученым черных дыр - то есть объектов, покинуть пределы которых не способна (в пренебрежение квантовыми эффектами) никакая материя, - являются либо черными дырами звездной массы, либо сверхмассивными черными дырами.

Происхождение этих гравитационных объектов астрономам примерно ясно. Первые, как ясно из их названия, представляют собой конечный этап эволюции тяжелых светил, когда в их недрах прекращаются термоядерные реакции. Они настолько тяжелы, что не превращаются ни в белых карликов, ни в нейтронные звезды.

Небольшие звезды, подобные Солнцу, превращаются в белых карликов. У них сила гравитационного сжатия уравновешивается электромагнитным отталкиванием электронно-ядерной плазмы. У более тяжелых звезд гравитация сдерживается давлением ядерной материи, в результате чего возникают нейтронные звезды. Сердцевина таких объектов сформирована нейтронной жидкостью, которую покрывает тонкий плазменный слой электронов и тяжелых ядер. Наконец, самые тяжелые светила превращаются в черные дыры, что прекрасно описывается общей теорией относительности и статистической физикой.

Предельное значение массы белого карлика, не дающее ему превратиться в нейтронную звезду, в 1932 году оценил индийский астрофизик Субраманьян Чандрасекар. Этот параметр вычисляется из условия равновесия вырожденного электронного газа и сил гравитации. Современное значение предела Чандрасекара оценивается примерно в 1,4 солнечной массы. Верхнее ограничение на массу нейтронной звезды, при которой она не превращается в черную дыру, получило название предела Оппенгеймера-Волкова. Оно определяется из условия равновесия давления вырожденного нейтронного газа и сил гравитации. В 1939 году ученые получили его значение в 0,7 солнечной массы, современные его оценки варьируются от 1,5 до 3,0.

Самые массивные звезды в 200-300 раз тяжелее Солнца. Как правило, масса черной дыры, произошедшей из звезды, не превышает этот порядок. На другом конце шкалы находятся сверхмассивные черные дыры - они тяжелее Солнца в сотни тысяч или даже десятки миллиардов раз. Обычно такие монстры расположены в активных центрах крупных галактик и оказывают определяющее на них влияние. Несмотря на то что происхождение сверхмассивных черных дыр также вызывает много вопросов, к настоящему времени обнаружено достаточно много таких объектов (более строго - кандидатов в них), чтобы не сомневаться в их существовании.

Например, в центре Млечного Пути, на расстоянии 7,86 килопарсека от Земли, находится самый тяжелый объект в Галактике - сверхмассивная черная дыра Стрелец A*, которая более чем в четыре миллиона раз тяжелее Солнца. В соседней крупной звездной системе - Туманности Андромеды -находится еще более тяжелый объект: сверхмассивная черная дыра, которая, вероятно, в 140 миллионов раз тяжелее Солнца. По оценкам астрономов, примерно через четыре миллиарда лет сверхмассивная черная дыра из Туманности Андромеды поглотит таковую из Млечного Пути.

Данный механизм указывает на наиболее вероятный способ формирования гигантских черных дыр - они просто поглощают всю окружающую их материю. Однако остается вопрос: существуют ли в природе черные дыры промежуточных масс - между звездными и сверхтяжелыми? Наблюдения последних лет, в том числе и опубликованное в недавнем выпуске журнала Nature, подтверждают это. В публикации авторы сообщили об обнаружении в центре шарового звездного скопления 47 Тукана (NGC 104) вероятного кандидата в черные дыры средней массы. Как показывают оценки, она тяжелее Солнца примерно в 2,2 тысячи раз.

Скопление 47 Тукана расположено на расстоянии 13 тысяч световых лет от Земли в созвездии Тукан. Эту совокупность гравитационно связанных светил отличает большой возраст (12 миллиардов лет) и крайне высокая среди подобных объектов яркость (уступает лишь Омеги Центавра). NGC 104 содержит тысячи звезд, ограниченных условной сферой диаметром 120 световых лет (это на три порядка меньше диаметра диска Млечного Пути). Также в 47 Тукана присутствует около двадцати пульсаров - именно они и стали главным объектом исследования ученых.

Прежние поиски в центре NGC 104 черной дыры не увенчались успехом. Такие объекты обнаруживают себя косвенным путем, по характерному рентгеновскому излучению, исходящему от аккреционного диска вокруг них, сформированного разогретым газом. Между тем, центр NGC 104 почти не содержит газа. С другой стороны, черную дыру можно обнаружить по оказываемому ею влиянию на вращающиеся в ее окрестностях звезды - примерно так удается исследовать Стрелец A*. Однако и тут ученых подстерегала проблема - центр NGC 104 содержит слишком много звезд, чтобы можно было разобраться в их отдельных перемещениях.

Ученые попробовали обойти обе трудности, одновременно с этим не отказавшись от привычных методов обнаружения черных дыр. Сперва астрономы проанализировали динамику светил всего шарового скопления в целом, а не только тех звезд, которые близки к его центру. Для этого авторы взяли данные о динамике светил 47 Тукана, собранные в ходе наблюдений австралийской радиобсерваторией Паркса. Полученную информацию ученые использовали для компьютерного моделирования в рамках гравитационной задачи N тел. Оно показало, что в центре NGC 104 есть нечто, по своим характеристикам напоминающее черную дыру средней массы. Однако этого было недостаточно.

Проверить свои выводы исследователи решили на пульсарах - компактных остатках мертвых звезд, радиосигналы которых астрономы научились достаточно хорошо отслеживать. Если в NGC 104 есть черная дыра средней массы, то пульсары не могут быть расположены слишком близко к центру 47 Тукана - и наоборот. Как и ожидали авторы, подтвердился первый сценарий: расположение пульсаров в NGC 104 хорошо соотносится с тем, что в центре скопления есть черная дыра средней массы.

Авторы полагают, что подобного рода гравитационные объекты могут находиться и в центрах других шаровых скоплений - вероятно, там, где их уже или еще не ищут. Для этого потребуется тщательное рассмотрение каждого из таких скоплений. Какую роль играют черные дыры промежуточных масс и как они возникли? Пока это неизвестно наверняка. Несмотря на множество вариантов их дальнейшей эволюции, соавтор исследования Бюлент Кизилтан полагает, что «они могут быть изначальными семенами, выросшими в монстров, которые мы сегодня видим в центрах галактик».