Астрономы нашли самые ранние сверхмассивные черную дыру и квазар во Вселенной
Группа астрономов нашла самые далекие и старые квазар и сверхмассивную черную дыру. Ее присутствие на столь раннем этапе истории Вселенной бросает вызов теориям образования черных дыр.
Почти каждая галактика имеет в своем центре сверхмассивную черную дыру, в миллионы или миллиарды раз превышающую размер Солнца. Хотя об этих объектах еще многое предстоит узнать, многие ученые считают, что они имеют решающее значение для образования и структуры галактик. Более того, некоторые из этих черных дыр особенно активны, собирая звезды, пыль и газ в светящиеся аккреционные диски , испускающие мощное излучение в космос, поскольку они поглощают материю вокруг себя. Такие объекты называются квазарами — они одни из самых далеких объектов, которые могут видеть астрономы. Недавно ученые установили новый рекорд — он исследовали самый дальний из когда-либо наблюдавшихся.
Группа исследователей, возглавляемая бывшим докторантом Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Фейдж Ван объявила об открытии J0313-1806, самого далекого квазара, обнаруженного на сегодняшний день. Далекий квазар, который появился более 13 млрд лет назад, также является самым ранним из обнаруженных. Это позволяет астрономам понять формирование массивных галактик в ранней Вселенной. Выводы команды были обнародованы на заседании Американского астрономического общества в январе 2021 года и опубликованы в Astrophysical Journal Letters.
Квазары — самые энергичные объекты во Вселенной. Они возникают, когда газ в перегретом аккреционном диске вокруг сверхмассивной черной дыры втягивается внутрь, рассеивая энергию по всему электромагнитному спектру. Это высвобождает огромное количество электромагнитного излучения, причем самые массивные образцы легко затмевают целые галактики.
Квазар J0313-1806 находится в 13 млрд световых лет от Земли и появился всего через 690 млн лет после Большого взрыва. Он питается от самой ранней известной сверхмассивной черной дыры, которая, несмотря на свое раннее образование, все еще весит более чем в 1,6 млрд раз больше массы Солнца. Объект J0313-1806 затмевает современный Млечный Путь в 1000 раз.
Присутствие такой массивной черной дыры на столь раннем этапе истории Вселенной бросает вызов теориям их образования. Как объясняет ведущая автор исследования Фейдж Ван, научная сотрудница НАСА, «черные дыры, созданные самыми первыми массивными звездами, не могли бы вырасти до таких размеров всего за несколько сотен миллионов лет».
Термин аккреционный диск (АД) обычно употребляется для обозначения газового диска вокруг массивного (по сравнению с диском) компактного объекта. К последним относятся белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры. Определяющей чертой АД является переход гравитационной энергии при аккреции (падении) вещества в тепло с последующим излучением.
Докторант — учёный, прикреплённый к научному учреждению для подготовки докторской диссертации.
Источник
Черная дыра и квазар
Черная дыра и квазар – это две самые интригующие тайны Вселенной. Никто с точностью не может сказать, что это такое, зачем они существуют и какие происходят процессы внутри них.
Квазар не может существовать без черной дыры, в свою очередь, черная дыра – вполне может обойтись без квазара. Черные дыры классифицируют на три основных типа: малые (вес не превышает массу обычной звезды), сверхмассивные (масса таких объектов превышает массу миллиона или даже миллиарда масс солнца) и промежуточные, открытые в 1999 году (масса их варьируется и составляет примерно 500-1000 масс солнца). Все они имеют настолько большую массу, что поглощают даже световые лучи. Тело, которое попало в горизонт событий (граница черной звезды), сможет вырваться, если только разовьет скорость убегания свыше скорости света 300 000 км/с, что невозможно.
Первая квазизвезда (так иногда именуют квазары) была зафиксирована в 60-х годах ХХ-го столетия Томасом А. Мэтьюзом и Аланом Сендиджем в созвездии Девы в обсерватории «Джорделл-Бэнк» (Манчестер, Британия). К середине 60-х было зафиксировано всего 5 квазаров, сейчас же их обнаружено более двухсот тысяч. Само название квазар (quasi – лат. наподобие и star – англ. звезда) было придумано американским ученым китайского происхождения Хон-И Чу в мае 1964 года, и первоначально обозначало «звездноподобный радиоисточник». Сейчас доказано, что активно излучают только 10% из всех квазаров (радиогромкие квазары, излучающие в видимом, ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах), все остальные 90% являются радиоспокойными.
Ученые на сегодняшний день не смогли полностью разгадать тайну существования квазизвезд – существует как минимум четыре теории.
Первая теория гласит, что квазары – это активное галактическое ядро.
Другие считают, что квазар – это будущая галактика. Яркий свет объясняется большим выбросом энергии при формировании активных ядер.
Третьи признают, что квазары — это точки, откуда берет начало материя во Вселенной и противопоставляются черным дырам.
Тем не менее ученые придерживаются мнения, что квазары – это аккреционный диск сверхмассивных черных дыр, состоящий из газа и энергии, выделяемый телами при попадании в черную дыру. Из-за притяжения к черной дыре, газ начинает сжиматься, нагреваться и светиться. Чаще всего такое излучение – радиоактивное. Благодаря такому излучению и орбитальной обсерватории Chandra получается зафиксировать местоположение черной дыры.
Излучение квазара настолько мощное, что сопоставимо с излучением 10 триллионов Солнц или 100 галактик Млечного Пути. Несмотря на это, доказано, что размеры одного квазара не превышают световой день (26 млрд км), что немногим больше размеров Солнечной системы. Благодаря небольшому размеру их излучение способно меняться в течение одного земного дня. Как правило, квазары затмевают свои материнские галактики и сопровождают черные дыры. В галактике Млечный путь расположилась Стрелец А* — сверхмассивная черная дыра, но квазара у нее нет. Чтобы Стрелец А* смог напитать квазар, черной дыре необходимо поглощать не менее десяти солнечных масс в один год.
Таким образом, модель «черная дыра-квазар» можно описать так:
Сверхплотный объект огромной массы — черная дыра — располагается во вращающемся газовом диске, центральная часть которого является источником сверхактивного электромагнитного излучения и выделения частиц, которые распространяясь вдоль оси диска, формируют два «рукава». Такой диск образуется из-за того, что черная звезда, притягивая к себе звезды, а иногда и целые галактики, уничтожает их. Газ, освободившийся при разрушении, притягивается к вращающейся оси, часть поглощается самой черной дырой, оставшаяся часть сжимается, нагревается и начинает светиться. Хотя это теория и хорошо изучена, она никак не объясняет не только свойства квазаров, но и процесс их формирования и эволюцию.
Источник
Квазары и чёрные дыры
Чёрные дыры и квазары – это два довольно удивительных и мало изученных объекта в нашей Вселенной, которые довольно подробно изучаются в современной науке. Кроме всего прочего, выяснилось, что квазары и чёрные дыры имеют весьма прочную связь.
Естественно, вы никак не сможете увидеть чёрную дыру в обычный телескоп. Но бьюсь об заклад что как только ваши друзья узнают, что вы занимаетесь астрономией, они тотчас же станут вам задавать вопросы о чёрных дырах.
Проникнуть в чёрную дыру можно, а вот вылететь из неё – абсолютно невозможно, как бы вы сильно этого не хотели. У вас не будет времени даже для того чтобы что-нибудь крикнуть. Поскольку огромное давление вмиг раздавит вас.
Чёрная дыра – это объект во Вселенной, обладающий настолько колоссальной гравитацией, что из неё не могут выбраться даже лучи света; как раз поэтому мы и не можем увидеть чёрные дыры.
На этом изображении чёрная дыра MAXI J1820 + 070 поглощает материал соседней звезды и формирует аккреционный диск. Авторы и права: Aurore Simonnet / NASA’s Goddard Space Flight Center.
Любое тело, попавшее в чёрную дыру, должно будет выработать энергии больше, чем оно производило когда-либо, чтобы выбраться из этой дыры. Официальное название данной “энергии” – скорость убегания (escape velocity).
Проектировщики ракет под термином “скорость убегания” подразумевают скорость, с которой должна лететь ракета или любой другой объект, для того чтобы преодолеть притяжение Земли и выйти в космическое пространство. Подобным образом этот термин применяется для любого тела во Вселенной (т.е. как скорость необходимая для преодоления притяжения какого-либо космического тела).
На Земле скорость убегания (или, правильнее, вторая космическая скорость) равняется 11 км/с. Для тел с более слабой гравитацией необходима меньшая скорость (допустим, на Марсе она составляет около 5 км/с), а для планет с более сильной гравитацией – большая (например, на Юпитере она равняется 61 км/с).
Но лидером Вселенной по скорости убегания является, и всегда будет таковой, чёрная дыра. Её гравитация настолько огромна, что для её преодоления необходима скорость убегания, свыше скорости света (т.е. больше 300 000 км/с). Именно поэтому никакой объект в мире не сможет вырваться из чёрной дыры, даже свет.
Источник
Черные дыры — самые страшные объекты во Вселенной
Хэллоуин — время призраков, гоблинов и упырей, но нет ничего страшнее во Вселенной, чем черные дыры.
Черные дыры — области в космосе, где гравитация настолько сильна, что ничто не сможет вырваться. Половина Нобелевской премии по физике 2020 года была присуждена Роджеру Пенроузу за математическую работу, показывающую, что черные дыры являются неизбежным следствием теории гравитации Эйнштейна. Вторую половину разделили Андреа Гэз и Райнхард Генцель, показав, что массивная черная дыра находится в центре нашей галактики.
Черные дыры пугают по трем причинам:
Если вы упадете в черную дыру, оставшуюся после гибели звезды, вас разорвет на куски.
У массивных черных дыр в центре галактик ненасытный аппетит.
Черные дыры — это места, где нарушаются законы физики.
Я изучаю черные дыры более 30 лет. В частности, сверхмассивные, которые скрываются в центре галактик. Большую часть времени они неактивны, но когда активны и пожирают звезды и газ, область около черной дыры может затмить всю галактику, в которой она находится. Галактики, в которых активны черные дыры, называются квазарами. Несмотря на все данные об этих объектах, полученные за последние десятилетия, мы еще многого не знаем.
Смерть от черной дыры
Считается, что черные дыры образуются при гибели массивной звезды. После того, как ядерное топливо звезды исчерпано, ее ядро схлопывается до самого плотного состояния материи, которое только можно вообразить — в сто раз более плотного, чем атомное ядро. Оно настолько плотное, что протоны, нейтроны и электроны больше не являются дискретными частицами. Поскольку черные дыры темные, их обнаруживают, когда они вращаются вокруг нормальной звезды. Ее свойства позволяют астрономам делать выводы о свойствах ее компаньона, черной дыры.
Первой подтвержденной черной дырой стал Cygnus X-1 — самый яркий источник рентгеновского излучения в созвездии Cygnus. С тех пор было найдено около 50 черных дыр в системах, где обычная звезда вращается вокруг черной дыры. Это ближайшие примеры из предполагаемых 10 миллионов, рассеяных по Млечному Пути.
Черные дыры — могилы материи. Ничто не может избежать их, даже свет. Судьбой тех, кто упадет в черную дыру станет спагеттификация, идею которой популяризировал Стивен Хокинг в книге «Краткая история времени». При спагеттификации гравитация черной дыры разорвала бы вас на части, разделив кости, мышцы, сухожилия и даже молекулы. Как поэт Данте описал слова над вратами ада в «Божественной комедии»: «Оставь надежду, всяк сюда входящий».
Голодный зверь в каждой галактике
Наблюдения с помощью космического телескопа Хаббл за последние 30 лет показали, что все галактики имеют черные дыры в центре.
Природа знает, как создавать черные дыры ошеломляющего диапазона масс — от мертвых звезд, в несколько раз превышающих массу Солнца, до монстров, в десятки миллиардов раз массивнее. Это похоже на разницу между яблоком и Великой пирамидой в Гизе.
Буквально в прошлом году астрономы опубликовали первое в истории изображение черной дыры и ее горизонта событий — зверя с массой 7 миллиардов солнечных масс в центре эллиптической галактики M87.
Черная дыра в галактике M87
Это более чем в тысячу раз крупнее черной дыры в нашей галактике, первооткрыватели которой получили в этом году Нобелевскую премию. Эти черные дыры большую часть времени темные, но когда их гравитация притягивает близлежащие звезды и газ, они вспыхивают, вызывая интенсивную активность и выбрасывая огромное количество излучения.
Массивные черные дыры опасны по двум причинам:
Если вы подойдете слишком близко, огромная гравитация поглотит вас.
Если они находятся в активной фазе квазара, вы будете поражены излучением энергии.
Насколько ярок квазар? Представьте, что вы парите над большим городом, например, над Лос-Анджелесом ночью. Примерно 100 миллионов огней от автомобилей, домов и улиц города соответствуют звездам в галактике. По этой аналогии черная дыра в активном состоянии подобна источнику света диаметром 1 дюйм в центре Лос-Анджелеса, который затмевает город в сотни или тысячи раз. Квазары — самые яркие объекты во Вселенной.
Странные сверхмассивные черные дыры
Самая большая обнаруженная черная дыра весит в 40 миллиардов раз больше массы Солнца, или в 20 раз больше Млечного Пути. В то время как внешние планеты в нашей Солнечной системе обращаются по орбите один раз в 250 лет, этот гораздо более массивный объект вращается раз в три месяца. Его внешний край движется со скоростью вдвое меньше скорости света.
Как и другие черные дыры, крупные скрыты от глаз горизонтом событий. В их центрах находится сингулярность — точка в пространстве, где плотность бесконечна. Мы не можем понять внутреннюю часть черной дыры, потому что законы физики нарушаются: время замирает на горизонте событий, а в сингулярности гравитация становится бесконечной.
Хорошая новость о массивных черных дырах заключается в том, что вы можете выжить, попав в одну из них. Их гравитация сильнее, но сила растяжения слабее, чем у маленькой черной дыры, и она не убьет вас. Плохая новость в том, что горизонт событий отмечает край пропасти. Ничто не может ускользнуть из-за горизонта событий, поэтому вы не сможете убежать и рассказать о своем путешествии.
По словам Стивена Хокинга, черные дыры медленно испаряются. В далеком будущем Вселенной, спустя много времени после того, как все звезды умрут и галактики исчезнут из поля зрения ускоряющегося космического расширения, черные дыры будут последними выжившими объектами.
Самым массивным черным дырам потребуется невообразимое количество лет, чтобы испариться. По оценкам, 10 в сотой степени или 10 со 100 нулями после него. Самые страшные объекты во Вселенной почти вечны.
Источник