ТОП-10: Удивительные новые открытия, касающиеся черных дыр
Ничто в космосе не сравнится с удивительными черными дырами. Самые образованные ученые пытаются объяснить, почему обычные физические законы для них не работают, и что происходит внутри этих всепоглощающих монстров. Каждый год эти загадочные объекты дают нам странные и пугающие подсказки о своей истинной природе. Обратный ход времени, черные дыры из мертвой Вселенной и первое проявление более мощных, чем они, сил — вот лишь некоторые из последних открытий.
10. Слишком много черных дыр средней массы (ЧДСМ)
Фото: space.com
Черные дыры среднего размера – загадочный средний ребенок в семье. Они не столь малы, как многочисленные черные дыры, масса которых соответствует звездной, и не столь велики, как сверхмассивные. Их называют ЧДСМ, и они настолько редкие, что некоторые ученые полагают, что их просто не существует. В 2018 году был обнаружен тайник с ними. По неизвестным причинам, ЧДСМ притаились в центре небольшой галактики. Как только ученые узнали, где искать, стали обнаруживаться полчища черных дыр.
Обычно сверхмассивная черная дыра находится в центре звездного скопления. Но обнаружилось, что большинство карликовых галактик вращаются вокруг ЧДСМ. Тем не менее, учитывая рост их числа, тайна может быть раскрыта. Ученые до сих пор не могут объяснить, как некоторые сверхмассивные черные дыры возникают вскоре после большого взрыва. До сих пор информация, полученная от изучения ЧДСМ, поддерживает существующие теории о появлении сверхмассивных дыр — они вырастают из ЧДСМ или, когда взрываются гигантские газовые облака. Хотя этот вывод не является окончательным решением загадки, но говорит о том, что ученые движутся в правильном направлении.
9. Таинственные объекты возле Стрельца A*
Фото: w3livenews.com
Стрелец А* — это сверхмассивная черная дыра в центре нашей Галактики. В начале 2000-х годов около нее были обнаружены два загадочных объекта. Получившие название объектов G-класса, они вели себя как газовые облака и должны были погибнуть, приблизившись к ближайшей точке Стрельца А*. Когда они остались «в живых», это стало загадкой. Газовые облака не могли не погибнуть, подойдя так близко к сверхмассивной черной дыре. В 2018 году исследователи обнаружили еще три подобных объекта на близкой орбите Стрельца А*. Данные, собранные за последние 12 лет, не помогли окончательно идентифицировать их как объекты G-класса, но это, вероятно, так. Они выглядят «пухлыми», как газ, но ведут себя как звезды с огромной массой.
Ученые решили, что первые два объекта, вероятно, были звездами, поскольку они не погибли под влиянием дыры. Звезды, вращающиеся на орбите, звучит довольно странно, но дальше еще более удивительно. Когда-то они были двойными звездами (две звезды, которые вращаются друг над другом). Однако гравитация Стрельца А* заставила их объединиться и превратила в «пухлые» объекты, которые ученые приняли за газовые облака. Однако это еще не точно. Не у всех объектов одинаковые орбиты, что говорит об их разной природе.
8. Самая старая черная дыра
Фото: space.com
Открытие самой древней черной дыры во Вселенной — это не только про возраст. Эта старушка может помочь в разгадке той эпохи, когда звезды появились впервые. Обнаруженный в 2017 году, сверхмассивный объект сформировался спустя 690 миллионов лет после большого взрыва. Когда возраст Вселенной составлял всего 5 процентов от ее нынешнего возраста, черная дыра была уже в 800 миллионов раз больше массы Солнца.
Объект ULAS J1342+0928 находится примерно в 13,1 млрд световых лет от Земли и был сформирован в первые годы жизни Вселенной. Этот период назвали «эпохой Реионизации». В это время первые звезды развились из ионов и гравитации. Истинная причина реионизации остается нераскрытой. Никто не может объяснить, как черные дыры смогли стать настолько массивными в ранней Вселенной. ULAS J1342+0928 может пролить свет на эти вопросы, но для получения реальных ответов необходимо исследовать больше черных дыр той эпохи. К сожалению, черные дыры того времени крайне редки.
7. Самая быстрорастущая черная дыра
Фото: space.com
В 2018 году обнаружили самую голодную черную дыру. Мало того, что благодаря своему аппетиту она способна каждый второй день поглощать эквивалент нашего Солнца, она также самая быстрорастущая. Если бы этот монстр был в центре Млечного Пути, его рентгеновские лучи стерилизовали бы Землю от всего живого. Когда ученые обнаружили первое мерцание, этому свету было 12 миллиардов лет. Как только подтвердилось, что источником служит черная дыра, вскоре выяснилось, насколько огромной является ее масса — около 20 миллиардов солнц. Исследователи просто не знают, почему конкретно эта черная дыра расширяется так быстро.
Один этот факт, относительно роста дыры, означает, что она совсем не черная. Из-за огромных объемов поступающего газа тепло может легко закрыть всю галактику. А на самом деле, в тысячи раз больше, чем галактика. Опять же, если бы этот космический урод жил посреди Млечного Пути, его яркий свет не дал бы людям видеть что-нибудь, кроме нескольких звезд.
6. Скрытая галактика
Фото: space.com
Одно скопление галактик может содержать сотни или даже тысячи галактик. Эти скопления считаются самыми большими во Вселенной. Можно подумать, что кластер невозможно скрыть одним космическим объектом. Однако именно так сделал один Квазар. Эта сверхмассивная черная дыра была названа PKS1353-341 и зарегистрирована как одиночный объект в своей области. В 2018 году ученые Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology) опубликовали фотографию, которая раскрыла истинное положение дел. Квазар располагался в центре скопления галактик. Эта черная дыра была исключительно яркой, и ее сияние затмило свет миллионов звезд. Ни одна другая галактика не была закрыта подобным образом.
Расположенный примерно в 2,4 миллиарда световых лет от Земли, Квазар испускает свет, вероятно, во время поглощения вещества. Считается, что PKS1353-341 потребляет вещество с экспоненциальной скоростью, выделяя достаточно энергии, чтобы гореть в 46 миллиардов раз ярче, чем наше Солнце. Астрономы ожидают, что он успокоится через миллион лет или около того.
5. Двойная система
Фото: ligo.caltech.edu
Другой непонятной загадкой относительно черных дыр является тот факт, что некоторые из них выглядят как двойные, или пара дыр, вращающихся по орбите друг вокруг друга. Это опасный способ жизни. На данный момент были задокументированы три случая столкновения черных дыр. Два были обнаружены в 2015 году и еще один в 2017 году. Удивительно, но сигнал от последнего столкновения состоял из гравитационных пульсаций от мгновенного удара на расстоянии трех миллиардов световых лет. Ни одна из дыр не погибла, а вместо этого они объединились в одну черную дыру большего размера, чем обе ее предшественницы.
Третий случай слияния черных дыр стал важным для исследователей. Он дал возможность наблюдать редкое событие, а также помог получить новые данные для молодой науки о гравитационных волнах. Исследователи рассматривают два возможных сценария формирования двойных черных дыр. Они могут появляться в результате гибели двойных звезд, либо формироваться отдельно, а затем сближаться и становиться гравитационно связанными.
4. Пузырь, который может разрушить Землю
Фото: science alеrt .com
В 2018 году физики нашли еще один способ, с помощью которого черные дыры теоретически могут уничтожить Землю. Недавно научный мир отмечал открытие гравитационных волн — явления, которое растягивает и сжимает ткань реальности. Это звучит достаточно безумно, но факт состоит в том, что это страшная сила.
Новая теория рассматривает гравитационные волны, удаляющиеся от столкновения, высвобождающего много энергии, как пузырь. Двигаясь со скоростью света, он становится больше, пока некоторые его точки не становятся похожими на плоские поверхности. Если два пузыря столкнутся в такой точке, то наихудший сценарий предполагает, что пространство-время, скорее всего, сконцентрируется в черной дыре. Если бы это произошло вблизи Земли, то привело бы к катастрофе. С другой стороны, никто не умрет на дне черной дыры. Гравитационные волны, сформировавшие ее, растянут планету и разорвут ее в клочья.
3. Изгнанная черная дыра
Фото: phys.org
Ученые всегда рассматривали возможность того, что галактики могут выталкивать черные дыры, расположенные в центре. Однако доказательств этому так и не нашли. Но в 2017 году, галактика под названием 3C186 преподнесла сюрприз. В результате того, что в прошлом произошло слияние двух галактик, 3C186 должна была быть немного беспорядочной. Вместо этого ее структура была четкой и упорядоченной. Настоящий сюрприз ожидал исследователей, когда они стали искать в центре галактики обычную в таких случаях сверхмассивную черную дыру. Там ничего не оказалось.
Когда же дыру обнаружили, она оказалась в 35 000 световых годах от центра. При столкновении двух звездных скоплений столкнулись и их сверхмассивные центры. Это создало черную дыру размером с монстра. При слиянии, вероятно, высвободились гравитационные волны, достаточно мощные, чтобы выбросить новую дыру из центра. Это было не просто. Чтобы отбросить черную дыру в сторону, потребовался взрыв, высвободивший энергию, равную той, которая высвобождается при взрыве 100 миллионов сверхновых. Что бы это ни было, но данный случай позволил предположить существование более мощных сил, чем сила черных дыр, господствующих в центре своих галактик.
Этот удивительный монстр продолжает двигаться с бешеной скоростью. При ее нынешних темпах черная дыра может покинуть галактику и выйти в открытый космос примерно через 20 миллионов лет.
2. Возможность разворота времени
Фото: Live Science
Черная дыра создается, когда огромная звезда умирает и обрушивается на саму себя. В этот момент выбрасываются потоки гамма-лучей. Последние являются самой яркой силой, известной в природе и до сих пор до конца не понятны. В 2018 году таинственные сигналы продемонстрировали еще одну странную особенность — они, кажется, разворачивают время. Ученые обнаружили это, когда изучали шесть сильнейших гамма-всплесков, зарегистрированных НАСА. Во время каждого всплеска выделялась световая волна с характерной последовательностью импульсов. Странно, но затем гамма-луч повторялся с обратной последовательностью импульсов.
Это может показаться удивительным, но вокруг черной дыры нет ничего нормального. Для некоторых физиков обратный сигнал является признаком разворота времени. Причина этого остается совершенной загадкой. Альтернативные предложения рассматривают более материальный уровень. Гамма-луч может проходить сквозь сгустки материи, что создает определенный сигнал. Чтобы развернуть сигнал, луч может отражаться от неизвестной зеркальной поверхности, или вести себя в соответствии с неоткрытым законом физики.
1. Призраки из мертвых вселенных
Фото: Live Science
В 2018 году физик со спорной репутацией высказал предположение, которое не укладывалось в привычные рамки. Роджер Пенроуз (Roger Penrose) уже приводил в ступор нейробиологов, когда утверждал, что человеческое сознание является результатом квантовых вычислений. Пенроуз считает, что наша Вселенная — последняя из серии вселенных. Более того-черные дыры из мертвых вселенных можно обнаружить в той, что существует сегодня. Эта теория основана на излучении Хокинга. Стивен Хокинг (Stephen Hawking) смело предположил, что черные дыры в конечном итоге распадаются, после того, как потеряют достаточное количество частиц. Они называются гравитонами и фотонами, у них нет массы, и они не подвержены обычному влиянию скорости и времени.
В результате, когда умирает одна вселенная и формируется новая, эти частицы остаются, как утверждают ученые, придерживающиеся той же точки зрения. Обнаруженные частицы составляют излучение Хокинга, или энергию, которую черные дыры потратили, растворяясь в давно ушедшем космосе. Эксперименты дали положительные результаты, что укрепило Пенроуза и его сторонников в желании модифицировать Теорию большого взрыва. Если они правы, то вместо взрыва, который сформировал только одну Вселенную, существуют вселенные, сменяющие друг друга словно поднимающиеся пузыри.
Источник
Черные дыры: откуда они взялись и почему ученые так ими интересуются
Во Вселенной существуют триллионы различных объектов, природу большинства из них современная наука до сих пор не понимает до конца. В число этих объектов входят и черные дыры — одни из самых странных явлений в космосе, существование которых даже не могли предположить научные фантасты. «Хайтек» подробно рассказывает, как открывали черные дыры и сможет ли человечество в дальнейшем как-то использовать их.
Что такое черная дыра
Черной дырой в классическом понимании называют область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько сильно, что ее не могут покинуть никакие объекты, движущиеся со скоростью света. Даже кванты самого света.
Граница черной дыры называется горизонтом событий, а ее размер — гравитационным радиусом. Черные дыры притягивают к себе материю, которая образовывает вокруг них аккреционный диск — гигантскую структуру вокруг черной дыры, которая быстро вращается. Именно из-за материи, светящейся во время вращения, ученым и удалось обнаружить существование черных дыр. При этом внутрь черной дыры попадает лишь небольшое количество этой материи, остальное отправляется обратно в космос в виде струи плазмы или джета, траектория которой совпадает с линиями магнитного поля. У некоторых черных дыр скорость движения этой плазмы достигает 99% от скорости света.
Сейчас в астрофизике существует четыре основных сценария образования черных дыр.
— Гравитационный коллапс очень массивной звезды. Согласно этой гипотезе, в конце своей жизни практически любая звезда с массой более трех солнечных, которая уже израсходовала все термоядерные реакции, может превратиться именно в такой тип сверхплотной материи — в нейтронную звезду, которая необходима для возникновения подобного искривленного участка Вселенной. По сути, это звезда, которая схлопывается под собственной тяжестью, увлекает за собой пространственно-временной континуум, находящийся вокруг нее. Гравитационное поле этого объекта становится настолько сильным, что из него не может вырваться даже свет. Поэтому эта область называется черной дырой.
— Коллапс центральной части галактики или области протогалактического газа. По сути, процесс появления черных дыр в этой гипотезе очень похож на первый вариант, только коллапсирует под собственным весом часть галактики, а не отдельная звезда. Эта гипотеза основана на наблюдении ученых, что практически каждая галактика имеет черную дыру в своем центре. Это не сходится с версией о появлении черных дыр из коллапсирующих звезд.
— Появление черных дыр в момент начального расширения Вселенной, так называемые первичные черные дыры. Согласно этой гипотезе, сразу же после Большого взрыва давление и температура в космосе были сверхвысокими. В таких условиях простые колебания плотности материи, например, начало расширения Вселенной, были достаточно значительными, чтобы появились территории с такой гравитацией. При этом большинство областей с высокой плотностью удалилось друг от друга из-за расширения Вселенной. Также космологами высказано предположение, что первичные черные дыры с массами в диапазоне от 10 14 до 10 23 кг могут составлять темную материю. Это наиболее тяжелые кандидаты на частицы темной материи.
— Возникновение черных дыр в ядерных реакциях высоких энергий. Подобные реакции используют для изучения частиц в адронных коллайдерах.
Кроме того, черными дырами ученые часто называют объекты, не полностью соответствующие их точному определению, а лишь приближающиеся по своим свойствам к ним. В эту же категорию входят коллапсирующие звезды на поздних стадиях коллапса.
С 1970-х годов в среде астрофизиков существует теория белых дыр — полной противоположности черных дыр, которые не пропускают в себя материю и энергию, а только выбрасывают ее. Согласно математическим расчетам, белые дыры должны выбрасывать энергию и материю в огромном количестве, однако на сегодняшний день ученые не смогли найти доказательство существования этих космических объектов. Существует множество теорий возникновения белых дыр, начиная с того, что белой дырой был Большой взрыв, и заканчивая возникновением этого объекта в результате смерти черной дыры. Подробнее об этом типе космических объектов «Хайтек» подробно рассказывал здесь .
При этом пока неизвестно, что становится с черными дырами после их смерти. Ученые считают, что Вселенная еще слишком молода для разрушения первых из них. Согласно математическим расчетам Стивена Хокинга, черные дыры должны постепенно просто испаряться, отдавая свою энергию в окружающую среду.
Открытие черных дыр
Концепция существования массивного тела, гравитационное притяжение которого настолько велико, что скорость, которая необходима для его преодоления, превышает скорость движения света (а значит физически не может существовать во Вселенной), была впервые выдвинута английским ученым Джоном Мичеллом в 1784 году.
В своем письме в Королевское общество он рассказал, что в космосе может существовать множество таких недоступных наблюдению объектов радиусом в 500 солнечных, но с плотностью Солнца, гравитация которых не позволит свету выйти наружу.
Однако эта гипотеза вскоре была забыта, поскольку в рамках классической физики скорость света не имеет фундаментального значения. И только после того, как в 1905 году Альберт Эйнштейн в своей специальной теории относительности (СТО) использовал разработки электродинамики Лоренца, скорость света оказалась предельной, которую может развивать физическое тело. Это радикально изменило значение черных дыр в теоретической физике.
Следующий большой вклад в их изучение внес индийский нобелевский лауреат Субраманьян Чандрасекар, который создал фундаментальную для этого направления монографию — «Математическая теория черных дыр». Он изучал строение массивных звезд и возможное их превращение в нейтронные звезды либо черные дыры. Кроме того, он первым выдвинул теорию «об отсутствии волос» — о том, что у стационарной черной дыры нет внешних характеристик, помимо массы, момента импульса и определенных зарядов (специфических для различных материальных полей).
Фактически существование черных дыр было доказано только в 2015 году, а первый снимок их тени был сделан в апреле 2019 года — многие научные эксперты признали это открытие главным научным прорывом последнего десятилетия.
Существует несколько типов черных дыр:
- Черная звезда звездной массы. Такие объекты, согласно общепринятым гипотезам, возникают в результате коллапса звезды. Минимальная масса тела, которая должна создать такой объект, составляет около трех солнечных.
- Черная звезда средней массы. Промежуточный этап черной дыры, которая увеличилась за счет поглощения в себя газовых скоплений либо соседней звезды в системах парных звезд.
- Сверхмассивные черные дыры. Объекты с массой с 10 5 –10 11 масс Солнца с достаточно невысокой плотностью и слабыми приливными силами. Именно такая черная дыра находится в центре Млечного пути.
- Ультрамассивные черные дыры. Достаточно редкое явление во Вселенной. Например, в центре галактики Holm 15A, самой яркой в скоплении галактик Абель, ученые недавно обнаружили ультрамассивную черную дыру с массой в 40 млрд солнечных. Пока это самый тяжелый объект во Вселенной, известный ученым. Обнаружить объект исследователям удалось в ходе наблюдений за движением звезд в этой галактике. Его масса вдвое больше, чем у предыдущих рекордсменов. Кроме того, он в 10 000 раз массивнее, чем черная дыра Стрелец А* в центре Млечного пути.
Сколько черных дыр во Вселенной?
Никто не знает, поскольку наблюдать их достаточно сложно, и человечество пока находится только в самом начале изучения этих космических объектов. Точно известно, что в Млечном пути ученые обнаружили около десятка, однако в нашей галактике до 400 млрд звезд, из которых каждая тысячная имеет достаточно массы, чтобы образовать в конце своего существования черную дыру.
Источник