Каковы размеры черной дыры?
Ученые зачастую обсуждают массу черных дыр, но каковы размеры и объем этих гигантских, но невидимых объектов?— интересуется автор. Она напоминает, что черные дыры очень трудно обнаружить из-за того, что в отличие от звезд они не светятся. И все же ученые нашли способ находить их.
де-то в центре Млечного Пути скрывается гигантская черная дыра, масса которой в несколько миллионов раз превосходит массу Солнца. Как и все черные дыры, этот сверхмассивный гигант под названием «Стрелец А*» (сокращенно Sgr A*, произносится «Стрелец А со звёздочкой» — прим. перев.) поглощает всё, что попадается в область действия его гравитационного поля, — этот гигант пожирает абсолютно всё, включая свет. Тем не менее, поглощение материи — это лишь один из способов, с помощью которого эти космические монстры вырастают поистине до астрономических размеров, набирая умопомрачительную массу. Заметим, что характеризуя черную дыру как гигантский космический объект, астрономы обычно имеют в виду его гигантскую массу, а не размеры.
И здесь возникает логичный вопрос: а каковы размеры разных черных дыр?
Распределение черных дыр по классам в зависимости от массы
Обычная черная дыра (она известна как «черная дыра звездной массы») образуется, когда эволюционный цикл массивной звезды, вес которой превышает почти 8 солнечных масс, подходит к концу.
Тем не менее вопрос о происхождении сверхтяжелых черных дыр, таких как «Стрелец А*», которые могут в миллионы и даже миллиарды раз превышать массу Солнца, остается нерешенным. Астрономы знают, что гигантские размеры и масса таких черных дыр, по-видимому, связаны с галактиками родственной связью, причем самые большие из сверхтяжелых черных дыр были обнаружены в центрах самых больших галактик.
Указанные доводы, а также недавно появившиеся свидетельства существования одного теоретически предсказанного класса черных дыр среднего размера (их называют черными дырами средней массы, которая варьируется от сотен до миллиона солнечных масс), по-видимому, указывают на то, что черные дыры могут стать сверхмассивными после того, как бесчисленное количество черных дыр звездной массы и промежуточной массы через миллиарды лет сольются воедино.
Ясно, что различные типы черных дыр могут значительно различаться по массе, и все же, не совсем ясно, насколько они различаются по размерам.
А что, если Земля и Солнце были когда-то черными дырами?
Чтобы изучить размеры черных дыр, давайте сначала рассмотрим два наиболее изученных объекта — Землю и Солнце.
Масса Земли составляет около 6×1024 кг. И хотя с точки зрения обывателя это гигантская цифра, она все-таки ничтожна по сравнению с массой черной дыры.
Чтобы появилась черная дыра, нужно сконцентрировать достаточно большую массу, причем ее гравитационное притяжение должно быть настолько сильным, что никакая другая сила не сможет предотвратить гравитационный коллапс этой массы. Вот почему ученые не смогли найти черные дыры, столь же легкие, как Земля, — этим космическим объектам просто не хватило бы массы для гравитационного сжатия. (Но некоторые ученые считают, что в первые несколько мгновений после Большого взрыва мог появиться класс так называемых древних первичных черных дыр. Масса этих гипотетических объектов могла бы варьироваться от совсем небольшой до гигантской, в десятки тысяч раз превышающей массу Солнца.)
Считается, что в центре черной дыры находится бездонная гравитационная яма пространства-времени, называемая гравитационной сингулярностью. Плотность этой сингулярности бесконечна, и все, что туда попадает, остается там навсегда. Внешний край черной дыры называется горизонтом событий; он представляет собой ту границу, за пределы которой не может вырваться ни одна частица материи, попавшей в гравитационное поле черной дыры, включая кванты света. Радиус горизонта событий зависит от массы черной дыры; этот радиус был впервые рассчитан немецким астрономом Карлом Шварцшильдом (Karl Schwarzschild) в 1916 году.
Для черной дыры массой, сравнимой с массой Земли, радиус Шварцшильда составляет менее одного дюйма (2,54 см), — то есть размером с шарик для настольного тенниса. Для Солнца радиус Шварцшильда составит немногим менее двух миль (3,2 км).
Каковы самые маленькие из известных черных дыр?
Как мы знаем, черные дыры очень трудно обнаружить. И все потому, что, в отличие от звезд, они не светятся, поскольку фотоны света никогда не вырвутся за пределы горизонта событий. Тем не менее иногда у черной дыры появляется аккреционный диск — ореол вещества, движущегося вокруг черной дыры; при этом из-за трения между слоями этого вещества происходит свечение. Ученые способны наблюдать черную дыру лишь благодаря свету, излучаемому аккреционным диском; иначе черная дыра невидима. Кроме того, черную дыру можно обнаружить по тому влиянию, которое она оказывает на другие космические объекты. Например, ученые обнаружили объект «Стрелец А*» только после того, как была зафиксирована странность в поведении семи звезд, вращающихся вокруг него.
С помощью этих методов учеными за последние годы было найдено множество кандидатов на роль черной дыры, включая самую маленькую известную нам черную дыру, расположенную в двойной системе GRO J1655-40. Газ с видимой звезды, расположенной в этой системе, перетекает к черной дыре, генерируя достаточный поток энергии для питания микроквазара.
Квазары развиваются в чрезвычайно ярких активных ядрах галактик (это центры галактик), в которых находится сверхмассивная черная дыра, окруженная ярким и мощным аккреционным диском. По некоторым оценкам, черная дыра в GRO J1655-40 весит примерно в 5,4 раза больше Солнца, а ее радиус составляет около 10 миль (16 км). Изучая подобные микроквазары, астрономы надеются лучше понять возможную связь между гигантами, скрытыми в ядрах галактик, и небольшими аккрецирующими черными дырами, разбросанными по галактикам.
В 2008 году ученые поначалу пришли к выводу, что обнаружили черную дыру еще меньшего размера, но позже теми же исследователями масса этого космического объекта была скорректирована. Любая черная дыра меньших размеров могла появиться, скорее всего, в результате слияния двух нейтронных звезд, а не в результате гравитационного коллапса умирающей звезды. Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) обнаружила гравитационные волны от возможного слияния нейтронных звезд в 2017 году, всего через два года после того, как гравитационные волны были вообще впервые обнаружены. Гравитационные волны, испускаемые во время слияний, дают ученым новый способ идентифицировать черные дыры в радиусе 100 миллионов световых лет от Земли.
С другой стороны, размер черной дыры звездной массы зависит от того, насколько массивной была звезда, ей предшествовавшая. Самая тяжелая звезда из всех известных, которая была найдена на сегодняшний день, обозначена аббревиатурой R136a1, она весит в 315 раз больше Солнца. Черная дыра с такой же массой, получившаяся из нее в результате гравитационного коллапса, имела бы радиус около 578 миль (930,2 км). Несмотря на свои большие размеры (по сравнению с самыми маленькими из известных черных дыр), даже эта огромная черная дыра звездной массы не идет ни в какое в сравнение со своими сверхмассивными родственниками.
Насколько велики черные дыры промежуточной массы?
Между черными дырами звездной массы и сверхмассивными черными дырами находятся так называемые черные дыры промежуточной массы — то есть долгожданное «недостающее звено» в эволюции черной дыры. На сегодняшний день найдено лишь несколько кандидатов на роль этого звена, в том числе космический объект, найденный телескопом «Хаббл» в начале нынешнего года. Такие объекты найти еще труднее, поскольку они менее активны в отсутствие близко расположенных космических объектов, которые служат для них своеобразным «топливом».
Масса черной дыры, недавно обнаруженной «Хабблом», в 50 тысяч раз превышает массу Солнца. Она находится в отдаленном плотном звездном скоплении, расположенном на окраине галактики бóльших размеров, именно там астрономы ожидали найти доказательства этих «недостающих звеньев». Такой кандидат на роль черной дыры промежуточной массы окажется в десятки тысяч раз тяжелее Солнца, а его радиус составит одну пятую радиуса Солнца, или примерно вдвое больше радиуса Юпитера.
И хотя черные дыры промежуточной массы обладают значительными размерами, их вес колеблется в пределах от 100 до 100 тысяч солнечных масс. Между тем масса сверхтяжелых чёрных дыр может в миллиарды раз превосходить солнечную.
Определяем размеры сверхтяжелых черных дыр
У центральной черной дыры нашей галактики, «Стрелец A*», расположенной в 26 тысячах световых лет от Солнца, радиус примерно в 17 раз превышает солнечный, а это значит, что размеры этой черной дыры ограничены, к примеру, орбитой Меркурия. И хотя упомянутая нами черная дыра в Млечном Пути весит около 4 миллионов солнечных масс, ее размеры малы по сравнению с размерами некоторых других сверхмассивных черных дыр, которые скрываются в центре других галактик.
Самая большая из сверхмассивных черных дыр, обнаруженных на сегодняшний день, находится в скоплении галактик Abell 85. В центре этого скопления расположена галактика Holm 15A, где общая масса сосредоточенного там вещества составляет около 2 триллионов солнечных масс. Центр этой галактики почти столь же велик, как Большое Магелланово Облако, радиус которого составляет 7000 световых лет.
Это скопление звезд расположено на расстоянии 700 миллионов световых лет от Земли, его размеры вдвое превышают размеры любой из предыдущих черных дыр. Это было установлено после того, как стала поступать информация из обсерватории на горе Вендельштейн при Университете им. Людвига и Максимилиана и от телескопа VLT (Very Large Telescope — «Очень большой телескоп») Европейской Южной Обсерватории. Ученые обнаружили, что черная дыра в центре галактики Holm 15A обладает колоссальной массой — 40 миллиардов солнечных масс, или примерно две трети массы всех звезд Млечного Пути. При такой гигантской массе она имеет диаметр, сопоставимый с диаметром Солнечной системы, — вообще это небывалый размер для какого-либо единичного объекта.
Но размер наблюдаемой Вселенной составляет 46,5 миллиардов световых лет во всех направлениях, а это означает, что астрономы делают лишь первые шаги, позволяющие понять природу черных дыр. Только год назад с помощью телескопа Event Horizon Telescope (Телескоп горизонта событий), который состоит из восьми телескопов, расположенных в разных частях Земли, впервые удалось получить изображение черной дыры. Кроме того, ожидается, что обсерватории LIGO и Virgo, изучающие гравитационные волны, смогут ежегодно обнаруживать благодаря новым технологиям около 40 слияний двойных звезд, а также открывать черные дыры и нейтронные звезды, расположенные по соседству с такими звездами. Кроме того, благодаря более совершенным телескопам, таким как Космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба (James Webb Space Telescope, JWST) и Чрезвычайно большой телескоп (Extremely Large Telescope, ELT) Европейского космического агентства, которые получат первые изображения в течение следующего десятилетия, сложно предугадать, сколько вообще черных дыр — этих космических монстров — будет обнаружено в будущем в темных глубинах космоса.
Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов
Источник
8 самых больших черных дыр во Вселенной — Согласно их солнечным массам
Самый большой тип черных дыр — так называемые сверхмассивные черные дыры — имеют массы порядка от сотен тысяч до миллиардов масс Солнца. Масса нашего Солнца составляет 1,989 x 10 30 кг, что примерно в 333 000 раз больше массы Земли.
Предполагается, что почти все большие галактики содержат сверхмассивную черную дыру, расположенную в центре галактики. На самом деле существует тесная связь между образованием черной дыры и самой галактикой.
Хотя во вселенной существуют миллионы сверхмассивных черных дыр, невероятно массивные из них редки, и на сегодняшний день идентифицировано лишь малое их количество.
Определить массу большой черной дыры крайне сложно
Чтобы измерить массу сверхмассивных черных дыр, ученые используют различные сложные методы, в том числе доплеровские измерения, отображение реверберации широкой эмиссионной линии, отношение M-сигма и дисперсию скорости.
Массы, полученные из этих методов, часто противоречат друг другу. Поэтому они все еще остаются в области открытых исследований.
Ниже мы собрали несколько самых больших черных дыр с известными массами, измеренными по крайней мере на порядок. Список далеко не полон, но он дает приблизительное представление о том, насколько сложна и обширна наша вселенная.
8. Центральная черная дыра кластера Феникс
Солнечная масса: 2 × 10 10
Кластер Феникса является одним из самых массивных из известных кластеров, большая часть его массы находится в форме темной материи и внутрикластерной среды.
Сверхмассивная черная дыра в центральной галактике скоплений качает энергию в систему. Считается, что он в 20 миллиардов раз массивнее Солнца, а его горизонт должен составлять порядка 118 миллиардов километров в диаметре.
Данные Чандры и различные наблюдения на других длинах волн показали, что эта черная дыра растет быстро со скоростью, в 60 раз превышающей массу Солнца каждый год. Но так как он уже очень велик, этот показатель не является устойчивым. Рост не может длиться более 100 миллионов лет.
7. NGC 4889
Самая яркая сфера около центра — галактика NGC 4889, в которой находится космический сюрприз | Предоставлено: НАСА.
Солнечная масса: 2. 1 × 10 10
Обнаруженный в 1785 году, NGC 4889 является самой яркой галактикой в северной части скопления комы, расположенной на среднем расстоянии 308 миллионов световых лет от Земли.
В основе NGC 4889 находится одна из самых больших черных дыр, которая нагревает внутрикластерную среду за счет трения, создаваемого падающей пылью и газами. Эта сверхмассивная черная дыра почти в 5200 раз массивнее центральной черной дыры Млечного Пути, и весит около 21 миллиарда солнечных масс.
Горизонт событий черной дыры имеет ширину от 20 до 124 миллиардов километров, что эквивалентно диаметру орбиты Плутона от 2 до 12 раз.
В настоящее время он дремлет, и вокруг него, кажется, остаются стабильные звезды. Тем не менее космический телескоп Хаббла обнаружил ионизированную среду вокруг сверхмассивной черной дыры, предполагая, что NGC 4889, возможно, был квазаром миллиарды лет назад.
Квазар — чрезвычайно яркое активное галактическое ядро, в котором сверхмассивная черная дыра окружена газообразным аккреционным диском. Он так сильно затягивает пыль и газ, что нагревает вещество до миллионов градусов, что приводит к огромным выбросам энергии.
6. APM 08279 + 5255
Солнечная масса: 2. 3 × 10 10
В 2002 году наблюдения Чандры показали, что высокоскоростные ветры уносят газы (до 40% скорости света) из сверхмассивной черной дыры, питающей квазар APM 08279 + 5255.
Квазар расположен в созвездии Рысь и имеет яркость, равную одному квадриллиону, яркости Солнца. Это яркий источник света практически на всех длинах волн, и он стал одним из наиболее исследованных отдаленных объектов.
Сверхмассивная черная дыра, питающая APM 08279 + 5255, весит 23 миллиарда солнечных масс (измеряется по скоростям молекулярного диска). Однако другой метод измерения, называемый реверберационным картированием, показывает, что черная дыра весит 10 миллиардов солнечных масс — огромная разница между обоими методами измерения.
Двойное изображение квазара вызвано гравитационным линзированием (изгибанием его света галактикой, попавшей в него). Этот эффект также усиливает свет квазара в 100 раз, что позволяет углубленно изучить его характеристики, даже если он находится на расстоянии 12 миллиардов световых лет.
В последнее десятилетие исследователи также обнаружили, что APM 08279 + 5255 имеет достаточно воды, чтобы заполнить океаны Земли более чем в 100 триллионов раз.
5. NGC 6166
Солнечная масса: 3 × 10 10
NGC 6166 — одна из самых ярких эллиптических галактик [с точки зрения рентгеновского излучения], расположенная на расстоянии 490 миллионов световых лет в созвездии Геркулеса. Около 39 000 шаровых скоплений вращаются вокруг галактики, что указывает на то, что гало NGC 6166 плавно смешивается с внутрикластерной средой.
В центре галактики есть сверхмассивная черная дыра, масса которой в 30 миллиардов раз больше массы Солнца. Ежегодно он поглощает около 200 солнечных масс газа, создавая большие релятивистские струи.
Ученые предположили, что центр галактики может также содержать несколько звезд O-типа; редкие сине-белые звезды с температурой более 30000 кельвинов.
4. H1821 + 643
Солнечная масса: 3 × 10 10
Сильно светящийся квазар, H1821 + 643, расположен в гигантском кластере с сильным охлаждающим потоком в созвездии Драко.
В 2014 году исследователи обнаружили H1821 + 643 как одну из самых массивных черных дыр и точно рассчитали ее массу, которая эквивалентна 30 миллиардам солнечных масс. Горизонт событий черной дыры имеет ширину 1150 а.е. (1 астрономическая единица равна примерно 150 миллионам километров), а его средняя плотность составляет 22 грамма на метр куба, что меньше, чем воздух на Земле.
Исследователи также обнаружили, что внутрикластерная среда вокруг квазара существенно отличается от других крупных скоплений галактик — энтропия и температура значительно ниже и имеют гораздо более крутые градиенты.
Недавно детальный анализ квазара доказал, что наша вселенная заполнена огромными количествами ионизированного водорода, сопровождаемого ионизированным кислородом.
3. IC 1101
Солнечная масса: (4-10) × 10 10
IC 1101, одна из самых больших и ярких галактик во вселенной, содержит в своем центре сверхмассивную черную дыру, масса которой в 40-100 миллиардов раз превышает массу Солнца.
Это эллиптическая галактика, расположенная на расстоянии 1,04 миллиарда световых лет от Земли. Галактика имеет массу около 100 триллионов звезд и простирается на 2 миллиона световых лет от ее ядра.
Как и другие массивные галактики, IC 1101 содержит большое количество богатых металлами звезд, некоторым из которых 11 миллиардов лет, и они имеют золотисто-желтый цвет.
2. S5 0014 + 81
Солнечная масса: 4 × 10 10
S5 0014 + 81 относится к наиболее энергичному типу активных ядер галактик — это блазар, расположенный вблизи области высокого склонения созвездия Цефея, на расстоянии около 12,07 миллиардов световых лет от Земли.
Это 6-й самый яркий квазар, известный на сегодняшний день, с яркостью более 10 41 Вт. Чтобы поместить это в перспективу, это в 25 000 раз ярче, чем все звезды в галактике Млечный Путь вместе взятых.
Центральная черная дыра блазара чрезвычайно жестока — она поглощает огромное количество материалов (более 4000 солнечных масс вещества) каждый год.
В 2009 году данные, полученные из Обсерватории Нила Герилса Свифта, позволили ученым рассчитать массу центральной черной дыры. Они обнаружили, что он в 40 миллиардов раз массивнее нашего Солнца, а его горизонт событий имеет ширину 236,7 миллиарда километров, что эквивалентно 40-кратному радиусу орбиты Плутона.
1. TON 618
Солнечная масса: 6,6 × 10 10
Тон 618 — это гиперлюминиевый квазар, расположенный в 10,37 миллиардах световых лет от Земли. Он содержит самую большую черную дыру [известную человечеству], вес которой в 66 миллиардов раз превышает массу нашего Солнца.
Впервые он был обнаружен в 1957 году при съемке слабых голубых звезд, которые не лежат на плоскости Млечного Пути. Более детальное радиообследование, проведенное в 1970 году, определило TON 618 как квазар.
TON 618 считается аккреционным диском чрезвычайно горячего газа, циркулирующего вокруг массивной черной дыры в центре галактики. Это так ярко, что затмевает остальную часть галактики. Фактически, это один из самых ярких объектов во Вселенной со светимостью 4 × 10 40 Вт, что эквивалентно 140 000 миллиардов раз больше Солнца.
Поскольку газ в аккреционном диске движется с очень высокой скоростью (около 7000 км / с), черная дыра создает исключительно сильную гравитационную силу. И горизонт событий такой массивной черной дыры будет 2600 а.е. в диаметре.
Источник