Содержание

Ученые объяснили, как возникли сверхмассивные черные дыры

https://ria.ru/20210617/dyry-1737427892.html

Ученые объяснили, как возникли сверхмассивные черные дыры

Ученые объяснили, как возникли сверхмассивные черные дыры — РИА Новости, 17.06.2021

Ученые объяснили, как возникли сверхмассивные черные дыры

Американские ученые предложили оригинальную гипотезу образования сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной. Авторы статьи, опубликованной в журнале… РИА Новости, 17.06.2021

2021-06-17T16:24

2021-06-17T16:24

2021-06-17T16:41

наука

сша

космос — риа наука

физика

астрофизика

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/92517/02/925170253_0:0:4400:2475_1920x0_80_0_0_250527c47b8b6f6dd28c084001b2f194.jpg

МОСКВА, 17 июн — РИА Новости. Американские ученые предложили оригинальную гипотезу образования сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной. Авторы статьи, опубликованной в журнале Astrophysical Journal Letters, считают, что эти гигантские объекты возникли в результате коллапса гало темной материи.Сверхмассивные черные дыры — это черные дыры, масса которых в несколько миллионов или миллиардов раз превышает массу Солнца. Такие объекты расположены в центре многих галактик, включая Млечный Путь. Астрофизические наблюдения показывают, что сверхмассивные черные дыры существовали в нашей Вселенной практически с самого начала, древнейшие из них имеют возраст 13,7 миллиарда лет. При этом общий возраст Вселенной составляет 13,799 миллиарда лет. До сих пор ученые не могут однозначно объяснить, как за столь короткое время смогли появиться такие массивные объекты.Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде и Института космологической физики Чикагского университета представили модель, согласно которой массивные черные дыры могли образоваться в результате самовзаимодействия частиц темной материи.Хотя темная материя пока не обнаружена в явном виде, физики уверены, что она составляет до 85 процентов материальной части Вселенной. Ее невидимый ореол — гало — окружает галактики и скопления галактик. Ученые считают, что, если бы видимая материя галактики не была заключена в гало темной материи, она моментально разлетелась бы в разные стороны.»Физики недоумевают, почему сверхмассивные черные дыры, расположенные в центральных областях гало темной материи, так сильно выросли за короткое время, — приводятся в пресс-релизе Калифорнийского университета в Риверсайде слова руководителя исследования доцента физики и астрономии Хай-Бо Ю (Hai-Bo Yu). — Это как если бы пятилетний ребенок весил, скажем, 90 килограммов. Такой ребенок удивил бы всех, потому что мы знаем типичный вес новорожденного и скорость его роста. Также и у физиков есть общие представления относительно массы зародышевой черной дыры и скорости ее роста. Наличие молодых сверхмассивных черных дыр говорит о том, что существующие представления неверны».По словам ученых, здесь могут быть два объяснения: либо зародыши черных дыр сразу очень большие, либо черные дыры растут намного быстрее, чем думали. «Черным дырам требуется время, чтобы стать массивными за счет аккреции окружающей материи, — объясняет еще один автор статьи, И-Мин Чжун из Чикагского университета. — Наша модель показывает, что если темная материя взаимодействует сама с собой, то гравитермический коллапс гало может привести к образованию достаточно массивного зародыша черной дыры. При этом скорость ее роста будет соответствовать общим ожиданиям».До сих пор считали, что сверхмассивные черные дыры формируются в процессе коллапса чистого газа в протогалактиках ранней Вселенной. Однако этот механизм не может привести к созданию массивного зародыша, поэтому предполагает, что сверхвысокой была скорость роста.»Наша работа предлагает альтернативное объяснение: самовзаимодействующий ореол темной материи испытывает гравитермическую нестабильность, и его центральная область коллапсирует в зародышевую черную дыру, — объясняет Ю. — Преимущество нашего сценария в том, что масса зародышевой черной дыры может быть высокой, поскольку она создается в результате коллапса гало темной материи. Таким образом, он может вырасти в сверхмассивную черную дыру за относительно короткий промежуток времени».Согласно гипотезе авторов, частицы темной материи сначала группируются вместе под действием силы тяжести и образуют ореол темной материи, на который действуют две конкурирующие силы — гравитация и давление. В то время как гравитация притягивает частицы темной материи внутрь, давление выталкивает их наружу. Если частицы темной материи не взаимодействуют друг с другом, то по мере того, как гравитация тянет их к центральному гало, они становятся более горячими, то есть движутся быстрее, давление эффективно увеличивается, и они отскакивают. При взаимодействии они, наоборот, притягиваются, и в какой-то момент гало схлопывается до особого состояния — зародышевой черной дыры.

https://ria.ru/20210416/dyra-1728544012.html

https://ria.ru/20210329/astrofizika-1603339774.html

сша

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og. xn--p1ai/awards/

2021

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdnn21.img.ria.ru/images/92517/02/925170253_550:0:3850:2475_1920x0_80_0_0_2d6ea67f38cc07beb5e3211f95b1509d.jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

сша, космос — риа наука, физика, астрофизика

МОСКВА, 17 июн — РИА Новости. Американские ученые предложили оригинальную гипотезу образования сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной. Авторы статьи, опубликованной в журнале Astrophysical Journal Letters, считают, что эти гигантские объекты возникли в результате коллапса гало темной материи.

Сверхмассивные черные дыры — это черные дыры, масса которых в несколько миллионов или миллиардов раз превышает массу Солнца. Такие объекты расположены в центре многих галактик, включая Млечный Путь.

Астрофизические наблюдения показывают, что сверхмассивные черные дыры существовали в нашей Вселенной практически с самого начала, древнейшие из них имеют возраст 13,7 миллиарда лет. При этом общий возраст Вселенной составляет 13,799 миллиарда лет. До сих пор ученые не могут однозначно объяснить, как за столь короткое время смогли появиться такие массивные объекты.

Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде и Института космологической физики Чикагского университета представили модель, согласно которой массивные черные дыры могли образоваться в результате самовзаимодействия частиц темной материи.

Хотя темная материя пока не обнаружена в явном виде, физики уверены, что она составляет до 85 процентов материальной части Вселенной. Ее невидимый ореол — гало — окружает галактики и скопления галактик. Ученые считают, что, если бы видимая материя галактики не была заключена в гало темной материи, она моментально разлетелась бы в разные стороны.

16 апреля 2021, 11:49НаукаСоздана первая визуализация двойной черной дыры

«Физики недоумевают, почему сверхмассивные черные дыры, расположенные в центральных областях гало темной материи, так сильно выросли за короткое время, — приводятся в пресс-релизе Калифорнийского университета в Риверсайде слова руководителя исследования доцента физики и астрономии Хай-Бо Ю (Hai-Bo Yu). — Это как если бы пятилетний ребенок весил, скажем, 90 килограммов. Такой ребенок удивил бы всех, потому что мы знаем типичный вес новорожденного и скорость его роста. Также и у физиков есть общие представления относительно массы зародышевой черной дыры и скорости ее роста. Наличие молодых сверхмассивных черных дыр говорит о том, что существующие представления неверны».

По словам ученых, здесь могут быть два объяснения: либо зародыши черных дыр сразу очень большие, либо черные дыры растут намного быстрее, чем думали.

«Черным дырам требуется время, чтобы стать массивными за счет аккреции окружающей материи, — объясняет еще один автор статьи, И-Мин Чжун из Чикагского университета. — Наша модель показывает, что если темная материя взаимодействует сама с собой, то гравитермический коллапс гало может привести к образованию достаточно массивного зародыша черной дыры. При этом скорость ее роста будет соответствовать общим ожиданиям».

До сих пор считали, что сверхмассивные черные дыры формируются в процессе коллапса чистого газа в протогалактиках ранней Вселенной. Однако этот механизм не может привести к созданию массивного зародыша, поэтому предполагает, что сверхвысокой была скорость роста.

«Наша работа предлагает альтернативное объяснение: самовзаимодействующий ореол темной материи испытывает гравитермическую нестабильность, и его центральная область коллапсирует в зародышевую черную дыру, — объясняет Ю. — Преимущество нашего сценария в том, что масса зародышевой черной дыры может быть высокой, поскольку она создается в результате коллапса гало темной материи. Таким образом, он может вырасти в сверхмассивную черную дыру за относительно короткий промежуток времени».

29 марта 2021, 18:00НаукаОбнаружена первая черная дыра промежуточной массы

Согласно гипотезе авторов, частицы темной материи сначала группируются вместе под действием силы тяжести и образуют ореол темной материи, на который действуют две конкурирующие силы — гравитация и давление. В то время как гравитация притягивает частицы темной материи внутрь, давление выталкивает их наружу. Если частицы темной материи не взаимодействуют друг с другом, то по мере того, как гравитация тянет их к центральному гало, они становятся более горячими, то есть движутся быстрее, давление эффективно увеличивается, и они отскакивают. При взаимодействии они, наоборот, притягиваются, и в какой-то момент гало схлопывается до особого состояния — зародышевой черной дыры.

Какие бывают и как образуются черные дыры

Таинственные и неуловимые черные дыры. Законы физики подтверждают возможность их существования во вселенной, но сих пор остается множество вопросов. Многочисленные наблюдения показывают, что дыры существуют во вселенной и этих объектов — больше миллиона.

 

Что такое черные дыры?

Ещё в 1915 году при решении уравнений Эйнштейна было предсказано такое явление как «черные дыры». Однако научное сообщество заинтересовалось ими только в 1967 году. Их тогда называли «сколлапсировавшие звёзды», «застывшие звёзды».

Сейчас черной дырой называют область времени и пространства, которые обладают такой гравитацией, что из неё не может выбраться даже луч света.

Как образуются черные дыры?

Существуют несколько теорий появления черных дыр, которые делятся на гипотетические и реалистичные. Самая простая и распространенная реалистичная — теория гравитационного каллапса больших звезды.

Когда достаточно массивная звезда перед «смертью» разрастается в размерах и становится не стабильной, расходуя последнее топливо. В то же время масса звезды остается неизменной, но её размеры уменьшаются так как происходит, так называемое, уплотнение. Иными словами при уплотнении тяжелое ядро «падает» в само себя. Параллельно с этим уплотнение приводит к резкому повышению температуры внутри звезды и внешние слои небесного тела отрываются, из них образуются новые звезды. В это же время в центре звезды — ядро падает в свой собственный «центр». В результате действия сил гравитации центр обваливается в точку — т.е силы гравитации на столько сильны, что поглощают уплотненное ядро. Так рождается черная дыра, которая начинает искажать пространство и время, что даже свет не может вырваться из неё.

В центрах всех галактик находится сверхмассивная черная дыра. Согласно теории относительности Эйнштейна:

«Любая масса искажает пространство и время».

А теперь представьте, как сильно черная дыра искажает время и пространство, ведь её масса огромна и одновременно втиснута в сверхмалый объем. Из-за этой способности возникает следующая странность:

«Черные дыры обладают способностью практически останавливать время и сжимать пространство. Из-за этого сильнейшего искажения дыры становятся не видимыми для нас».

Если черные дыры не видны, откуда мы знаем, что они существуют?

Да, хоть черная дыра и невидимка, но она должна быть заметна за счет материи, которая падает в неё. А так же звездный газ, который притягивается черной дырой, при приближении к горизонту событий температура газа начинает расти до сверхвысоких значений, что приводит к свечению. Именно поэтому черные дыры светятся. Благодаря такому, хоть и слабому свечению, астрономы и астрофизики объясняют наличие в центре галактики объекта с малым объемом, но огромной массой. В данный момент в результате наблюдений обнаружено порядка 1000 объектов, которые похожи по поведению на черные дыры.

Черные дыры и галактики

Как черные дыры могут влиять на галактики? Этот вопрос мучает ученых всего мира. Есть гипотеза, согласно которой именно черные дыры, находящиеся в центре галактики влияет на её формы и эволюцию. И что при столкновении двух галактик происходит слияние черных дыр и во время этого процесса выбрасывается такое огромное количество энергии и материи, что образуются новые звезды.

Типы черных дыр

  • Согласно существующей теории, есть три типа черных дыр: звездные, сверхмассивные, миниатюрные. И каждая из них сформировалась особым образом.
  • — Черные дыры звездных масс, она разрастается до огромных размеров и разрушается.
    — Сверхмассивные черные дыры, которые могут иметь массу, эквивалентную миллионам Солнц, с большой вероятностью существуют в центрах практически всех галактик, включая наш Млечный путь. Ученые все ещё имеют разные гипотизы образования сверхмассивных черных дыр. Пока известно только одно — сверхмассивные черные дыры — побочный продукт образования галактик. Сверхмассивные черные дыры — они отличаются от обычных тем, что имеют очень большой размер, но парадоксально маленькую плотность.
  • — Еще никто не смог обнаружить миниатюрную черную дыру, которая имела бы массу меньшую, чем Солнце. Вполне возможно, что миниатюрные дыры могли бы образоваться вскоре после «Большого взрыва», который является начальной точной существования нашей вселенной (около 13,7 млрд лет назад).
  • — Совсем недавно было введено новое понятие как «белые черные дыры». Это пока гипотетическая черня дыра, которая является противоположностью черной дыре. Активно изучал возможность существования белых дыр Стивен Хокинг.
  • — Квантовые черные дыры — они существуют пока только в теории. Квантовые черные дыры могут образовываться при столкновении сверхмалых частиц в результате ядерной реакции.
  • — Первичные черные дыры — тоже теория. Они образовались сразу после возникновения.

В данный момент существует большое количество открытых вопросов, на которые ещё предстоит ответить будущим поколениям. Например, могут ли в действительности существовать так называемые «кротовые норы», с помощью которых можно путешествовать по пространству и времени. Что именно происходит внутри черной дыры и каким законам подчиняются эти явления. И как быть с исчезновением информации в черной дыре?

как появляются черные дыры и можно ли их увидеть — T&P

Теоретически в черную дыру может превратиться любое космическое тело. Например, такой планете, как Земля, для этого нужно сжаться до радиуса в несколько миллиметров, что на практике, конечно, маловероятно. В новом выпуске спецпроекта с премией «Просветитель» T&P публикуют отрывок из книги физика Эмиля Ахмедова «О рождении и смерти черных дыр», в котором объясняется, как небесные тела превращаются в черные дыры и можно ли их разглядеть на звездном небе.

Как образуются черные дыры?

*Если какая-то сила сожмет небесное тело до соответствующего его массе радиуса Шварцшильда, то оно настолько искривит пространство–время, что даже свет не сможет его покинуть. Это и означает, что тело станет черной дырой.

Например, для звезды с массой Солнца радиус Шварцшильда приблизительно равен трем километрам. Сравните эту величину с настоящим размером Солнца — 700 000 километров. В то же время для планеты с массой Земли радиус Шварцшильда равен нескольким миллиметрам.

[…]Только гравитационная сила способна сжать небесное тело до таких маленьких размеров, как его шварцшильдовский радиус*, так как только гравитационное взаимодействие ведет исключительно к притяжению, и фактически неограниченно возрастает при увеличении массы. Электромагнитное взаимодействие между элементарными частицами на много порядков сильнее гравитационного. Однако любой электрический заряд, как правило, оказывается компенсированным зарядом противоположного знака. Гравитационный заряд — массу ничто не может заэкранировать.

Такая планета, как Земля, не сжимается под собственной тяжестью до соответствующих размеров Шварцшильда потому, что ее массы недостаточно для преодоления электромагнитного расталкивания ядер, атомов и молекул, из которых она состоит. А такая звезда, как Солнце, являясь намного более массивным объектом, не сжимается из-за сильного газодинамического давления за счет высокой температуры в его недрах.

Заметим, что для очень массивных звезд, с массой больше ста Солнц, сжатие не происходит в основном из-за сильного светового давления. Для звезд массивнее двухсот Солнц ни газодинамического и ни светового давления оказывается не достаточно, чтобы предотвратить катастрофическое сжатие (коллапс) такой звезды в черную дыру. Однако ниже речь пойдет об эволюции более легких звезд.

Свет и высокая температура звезд являются продуктами термоядерных реакций. Такая реакция идет потому, что в недрах звезд достаточно водорода и вещество сильно сжато под давлением всей массы звезды. Сильное сжатие позволяет преодолеть электромагнитное отталкивание одинаковых зарядов ядер водорода, ведь термоядерная реакция — это слияние ядер водорода в ядро гелия, сопровождающееся большим выделением энергии.

Рано или поздно количество термоядерного топлива (водорода) сильно сократится, световое давление ослабнет, температура упадет. Если масса звезды достаточно мала, как, например, у Солнца, то она пройдет через фазу красного гиганта и превратится в белый карлик.

Если же ее масса велика, то звезда начнет сжиматься под собственной тяжестью. Произойдет коллапс, который мы можем увидеть как взрыв сверхновой. Это очень сложный процесс, состоящий из многих фаз, и пока не все его детали ясны ученым, но многое уже понятно. Известно, например, что дальнейшая судьба звезды зависит от ее массы в момент перед коллапсом. Результатом такого сжатия может быть либо нейтронная звезда, либо черная дыра, или же комбинация из нескольких подобных объектов и белых карликов.

«Черные дыры являются результатом коллапса самых тяжелых звезд»

Нейтронные звезды и белые карлики не коллапсируют до состояния черной дыры, так как их массы недостаточно, чтобы преодолеть давление нейтронного или электронного газа соответственно. Эти давления обусловлены квантовыми эффектами, вступающими в силу после очень сильного сжатия. Обсуждение последних не имеет непосредственного отношения к физике черных дыр и выходит за рамки данной книги.

Однако если, например, нейтронная звезда находится в двойной звездной системе, то она может притягивать материю со звезды компаньона.

В таком случае ее масса будет расти и, если она превысит некоторое критическое значение, опять произойдет коллапс, уже с образованием черной дыры. Критическая масса определяется из условия, что газ нейтронов создает недостаточное давление, чтобы удержать ее от дальнейшего сжатия.

*Это приблизительная оценка. Точное значение предела пока не известно. — Прим. автора.

Итак, черные дыры являются результатом коллапса самых тяжелых звезд. В современном представлении масса сердцевины звезды после выгорания термоядерного топлива должна составлять не менее двух с половиной солнечных*. Никакое известное нам состояние вещества не способно создать такое давление, которое удержало бы столь большую массу от сжатия до состояния черной дыры, если выгорело все термоядерное топливо. Факты, экспериментально подтверждающие упомянутое ограничение на массу звезды для образования черной дыры, мы обсудим чуть позже, когда будет рассказано, как астрономы обнаруживают черные дыры. […]

Рис. 7. Неверное представление о коллапсе с точки зрения стороннего наблюдателя как о замедляющемся вечном падении вместо формирования горизонта черной дыры

В связи с нашим обсуждением поучительно будет на примере вспомнить о взаимосвязи различных идей и представлений в науке. Этот рассказ, возможно, позволит читателю ощутить, насколько потенциально глубок обсуждаемый вопрос.

Известно, что Галилей пришел к тому, что сейчас называется законом Ньютона об инерциальных системах отсчета, отвечая на критику системы Коперника. Критика заключалась в том, что Земля не может вращаться вокруг Солнца по причине того, что иначе мы бы не удержались на ее поверхности.

В ответ Галилей утверждал, что Земля вращается вокруг Солнца по инерции. А инерциальное движение мы не можем отличить от покоя, так же как не ощущаем инерциальное движение, например, корабля. При этом он не верил в гравитационные силы между планетами и звездами, так как не верил в действие на расстоянии, а про существование полей он и вовсе не мог знать. Да и не принял бы столь абстрактного на тот момент объяснения.

Галилей считал, что инерциальное движение может происходить только по идеальной кривой, то есть Земля может двигаться только по окружности или же по окружности, центр которой, в свою очередь, вращается по окружности вокруг Солнца. То есть может существовать наложение разных инерциальных движений. Последний тип движения можно усложнить, добавив еще больше окружностей в композиции. Такое вращение называется движением по эпициклам. Оно было придумано еще для согласования птолемеевой системы с наблюдаемыми положениями планет.

Кстати, в момент своего создания система Коперника описывала наблюдаемые явления гораздо хуже системы Птолемея. Так как Коперник тоже верил только в движение по идеальным окружностям, у него получалось, что центры орбит некоторых планет находились за пределами Солнца. (Последнее являлось одной из причин задержки публикации Коперником своих работ. Ведь он верил в свою систему исходя из эстетических соображений, а наличие странных смещений центров орбит за пределы Солнца в эти соображения не вписывались.)

Поучительно то, что в принципе система Птолемея могла описывать наблюдаемые данные с любой наперед заданной точностью — нужно было только добавить необходимое число эпициклов. Однако, несмотря на все логические противоречия в исходных представлениях ее создателей, только система Коперника могла привести к концептуальному перевороту в наших взглядах на природу — к закону всемирного тяготения, который описывает как движение планет, так и падение яблока на голову Ньютона, а в дальнейшем и к понятию поля.

Поэтому Галилей отрицал кеплеровское движение планет по эллипсам. Они с Кеплером обменивались письмами, которые были написаны в довольно-таки раздражительном тоне*. И это несмотря на их полную поддержку одной и той же планетарной системы.

Итак, Галилей считал, что Земля движется вокруг Солнца по инерции. С точки зрения механики Ньютона это явная ошибка, так как на Землю действует гравитационная сила. Однако с точки зрения общей теории относительности Галилей должен быть прав: в силу этой теории, в гравитационном поле тела движутся по инерции по крайней мере тогда, когда их собственной гравитацией можно пренебречь. Такое движение происходит по так называемой геодезической кривой. В плоском пространстве это просто прямая мировая линия, а в случае планеты Солнечной системы это такая геодезическая мировая линия, которая отвечает эллиптической траектории, а не обязательно круговой. К сожалению, Галилей этого не мог знать.

Однако из общей теории относительности известно, что движение происходит по геодезической, только если можно пренебречь искривлением пространства самим движущимся телом (планетой) и считать, что оно искривляется исключительно гравитирующим центром (Солнцем). Возникает естественный вопрос: так прав ли был Галилей по поводу инерциальности движения Земли вокруг Солнца? И хотя это уже и не столь важный вопрос, так как теперь мы знаем причину, по которой люди не слетают с Земли, возможно, он имеет отношение к геометрическому описанию гравитации.

Как можно «увидеть» черную дыру?

[…] Перейдем теперь к обсуждению того, как черные дыры наблюдаются на звездном небе. Если черная дыра поглотила все вещество, которое ее окружало, то ее можно увидеть только через искажение лучей света от дальних звезд. То есть если бы недалеко от нас оказалась черная дыра в таком чистом виде, то мы увидели бы примерно то, что изображено на обложке. Но даже встретив подобное явление, нельзя быть уверенным, что это черная дыра, а не просто массивное, несветящееся тело. Требуется определенная работа, чтобы отличить одно от другого.

Однако в реальности черные дыры окружены облаками, содержащими элементарные частицы, пыль, газы, метеориты, планеты и даже звезды. Поэтому астрономы наблюдают нечто вроде картинки, изображенной на рис. 9. Но как они делают вывод, что это именно черная дыра, а не какая-нибудь звезда?

Рис. 9. Реальность гораздо прозаичней, и нам приходится наблюдать черные дыры в окружении различных небесных тел, газов и облаков пыли

Для начала выбирают определенного размера область на звездном небе, как правило, в двойной звездной системе или в активном ядре галактики. По спектрам излучения, исходящего из нее, определяется масса и поведение вещества в ней. Далее фиксируют, что от рассматриваемого объекта исходит излучение, как от падающих в гравитационном поле частиц, а не только от термоядерных реакций, идущих в недрах звезд. Излучение, являющееся, в частности, результатом взаимного трения падающей на небесное тело материи, содержит значительно более энергичное гамма-излучение, чем результат термоядерной реакции.

«Черные дыры окружены облаками, содержащими элементарные частицы, пыль, газы, метеориты, планеты и даже звезды»

Если наблюдаемая область достаточно мала, не является пульсаром и в ней сосредоточена большая масса, то делается вывод, что это черная дыра. Во-первых, теоретически предсказано, что после выгорания термоядерного топлива не существует никакого состояния вещества, которое могло бы создавать давление, способное предотвратить коллапс столь большой массы в столь маленькой области.

Во-вторых, как только что было подчеркнуто, рассматриваемые объекты не должны быть пульсарами. Пульсар — это нейтронная звезда, которая, в отличие от черной дыры, имеет поверхность и ведет себя как большой магнит, что является одной из тех самых более тонких характеристик электромагнитного поля, чем заряд. Нейтронные звезды, являясь результатом очень сильного сжатия исходных вращающихся звезд, совершают еще более быстрые вращения, ибо угловой момент должен сохраняться. Это приводит к тому, что такие звезды создают магнитные поля, меняющиеся во времени. Последние играют основную роль при образовании характерного пульсирующего излучения.

Все найденные на данный момент пульсары имеют массу меньше двух с половиной масс Солнца. Источники характерного энергичного гамма-излучения, масса которых превышает этот предел, не являются пульсарами. Как видно, этот предел массы совпадает с теоретическими предсказаниями, сделанными исходя из известных нам состояний вещества.

Все это, хотя и не является прямым наблюдением, представляет собой достаточно убедительную аргументацию в пользу того, что астрономы видят именно черные дыры, а не что-либо другое. Хотя что можно считать прямым наблюдением, а что нет — является большим вопросом. Ведь вы, читатель, видите не саму книгу, а лишь рассеянный ею свет. И только совокупность тактильных и визуальных ощущений убеждает вас в реальности ее существования. Точно так же и ученые делают вывод о реальности существования того или иного объекта на основании всей совокупности наблюдаемых ими данных.

Черные дыры

msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist>
Адроны
Альфа-распад
Альфа-частица
Аннигиляция
Антивещество
Антинейтрон
Антипротон
Античастицы
Атом
Атомная единица массы
Атомная электростанция
Барионное число
Барионы
Бета-распад
Бетатрон
Бета-частицы
Бозе – Эйнштейна статистика
Бозоны
Большой адронный коллайдер
Большой Взрыв
Боттом. Боттомоний
Брейта-Вигнера формула
Быстрота
Векторная доминантность
Великое объединение
Взаимодействие частиц
Вильсона камера
Виртуальные частицы
Водорода атом
Возбуждённые состояния ядер
Волновая функция
Волновое уравнение
Волны де Бройля
Встречные пучки
Гамильтониан
Гамма-излучение
Гамма-квант
Гамма-спектрометр
Гамма-спектроскопия
Гаусса распределение
Гейгера счётчик
Гигантский дипольный резонанс
Гиперядра
Глюоны
Годоскоп
Гравитационное взаимодействие
Дейтрон
Деление атомных ядер
Детекторы частиц
Дирака уравнение
Дифракция частиц
Доза излучения
Дозиметр
Доплера эффект
Единая теория поля
Зарядовое сопряжение
Зеркальные ядра
Избыток массы (дефект массы)
Изобары
Изомерия ядерная
Изоспин
Изоспиновый мультиплет
Изотопов разделение
Изотопы
Ионизирующее излучение
Искровая камера
Квантовая механика
Квантовая теория поля
Квантовые операторы
Квантовые числа
Квантовый переход
Квант света
Кварк-глюонная плазма
Кварки
Коллайдер
Комбинированная инверсия
Комптона эффект
Комптоновская длина волны
Конверсия внутренняя
Константы связи
Конфайнмент
Корпускулярно волновой дуализм
Космические лучи
Критическая масса
Лептоны
Линейные ускорители
Лоренца преобразования
Лоренца сила
Магические ядра
Магнитный дипольный момент ядра
Магнитный спектрометр
Максвелла уравнения
Масса частицы
Масс-спектрометр
Массовое число
Масштабная инвариантность
Мезоны
Мессбауэра эффект
Меченые атомы
Микротрон
Нейтрино
Нейтрон
Нейтронная звезда
Нейтронная физика
Неопределённостей соотношения
Нормы радиационной безопасности
Нуклеосинтез
Нуклид
Нуклон
Обращение времени
Орбитальный момент
Осциллятор
Отбора правила
Пар образование
Период полураспада
Планка постоянная
Планка формула
Позитрон
Поляризация
Поляризация вакуума
Потенциальная яма
Потенциальный барьер
Принцип Паули
Принцип суперпозиции
Промежуточные W-, Z-бозоны
Пропагатор
Пропорциональный счётчик
Пространственная инверсия
Пространственная четность
Протон
Пуассона распределение
Пузырьковая камера
Радиационный фон
Радиоактивность
Радиоактивные семейства
Радиометрия
Расходимости
Резерфорда опыт
Резонансы (резонансные частицы)
Реликтовое микроволновое излучение
Светимость ускорителя
Сечение эффективное
Сильное взаимодействие
Синтеза реакции
Синхротрон
Синхрофазотрон
Синхроциклотрон
Система единиц измерений
Слабое взаимодействие
Солнечные нейтрино
Сохранения законы
Спаривания эффект
Спин
Спин-орбитальное взаимодействие
Спиральность
Стандартная модель
Статистика
Странные частицы
Струи адронные
Субатомные частицы
Суперсимметрия
Сферическая система координат
Тёмная материя
Термоядерные реакции
Термоядерный реактор
Тормозное излучение
Трансурановые элементы
Трек
Туннельный эффект
Ускорители заряженных частиц
Фазотрон
Фейнмана диаграммы
Фермионы
Формфактор
Фотон
Фотоэффект
Фундаментальная длина
Хиггса бозон
Цвет
Цепные ядерные реакции
Цикл CNO
Циклические ускорители
Циклотрон
Чарм. Чармоний
Черенковский счётчик
Черенковсое излучение
Черные дыры
Шредингера уравнение
Электрический квадрупольный момент ядра
Электромагнитное взаимодействие
Электрон
Электрослабое взаимодействие
Элементарные частицы
Ядерная физика
Ядерная энергия
Ядерные модели
Ядерные реакции
Ядерный взрыв
Ядерный реактор
Ядра энергия связи
Ядро атомное
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР)

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет — Сибстрин

АБИТУРИЕНТУ 2022. Профессия «дорожник» всегда будет востребована! Строительная специальность НГАСУ (Сибстрин) «Автомобильные дороги»

Ведущий вуз города и региона – Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин) – вот уже более 90 лет занимает лидирующие позиции в обучении студентов по направлению «Строительство». С 2017 года в университете началась подготовка специалистов по профилю «Автомобильные дороги». На сегодняшний день это одно из самых актуальных направлений строительства. Национальный проект «Безопасные и качественные автомобильные дороги» предполагает приоритетное развитие транспортной инфраструктуры страны за счет средств федерального бюджета. Поэтому специалисты – строители автомобильных дорог – будут востребованы во всех регионах страны. Объектами профессиональной деятельности выпускника являются: изыскания, проектирование, строительство и эксплуатация автомобильных дорог, включая земляное полотно, дорожные одежды, водопропускные сооружения, инженерные транспортные сооружения.

В НГАСУ (Сибстрин) открывается студенческая научная лаборатория. Приглашаем заинтересованных студентов на организационную встречу!

На базе кафедры Теоретической механики НГАСУ (Сибстрин) открывается студенческая научная лаборатория. Она призвана стать частью внутривузовской стратегии развития молодежной науки, основанной на вовлечении студентов в долгосрочную многоуровневую научную работу и решение ими актуальных задач грантовых проектов российских научных фондов. К участию в работе лаборатории планируется привлечь студентов направлений «Строительство» и «Информационные системы и технологии», проходящих обучение по бюджетной форме бакалавриата, специалитета и магистратуры, преимущественно 2 и 3 курсов. Программа первого года работы лаборатории предполагает ознакомление с методами компьютерного моделирования жидкостей, газов и дисперсных систем, а также изучение с помощью этих методов теплофизических свойств наножидкостей и композитных материалов.

В НГАСУ (Сибстрин) прошел семинар о возможностях новых программных продуктов ANSYS

17 марта 2022 года специалистами НГАСУ (Сибстрин) и компании «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» был проведен семинар пользователей ANSYS, посвященный новым возможностям программных комплексов ANSYS Rocky и Flownex SE для задач образовательного и научно-исследовательского процесса. Представители АО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» Алексей Фомичев, Юрий Покалюхин, Тимофей Тимофеев совместно с сотрудниками НОЦ компьютерного моделирования и проектирования НГАСУ (Сибстрин) Юрием Гербером и Максимом Даниловым презентовали участникам семинара новые продукты Flownex SE и Rocky DEM. Flownex SE применяется для моделирования 1D потока и 2D теплообмена в установившихся и нестационарных режимах с построением блок-схемы из типовых компонентов.

Знакомьтесь, магистратура НГАСУ (Сибстрин)! Приглашаем студентов старших курсов на презентации, посвященные поступлению в магистратуру

Приемной комиссией университета подготовлен цикл презентаций для студентов 3, 4 и 5 курсов, желающих ознакомится с возможностями поступления в магистратуру НГАСУ (Сибстрин). В рамках мероприятий вы узнаете об особенностях и преимуществах магистерского уровня образования, о реализуемых в вузе магистерских программах подготовки, а также о вступительных испытаниях в магистратуру и порядке их проведения. Встречи–презентации проводятся согласно расписанию. Начало в 13.40. В программе: правила, условия поступления; презентации действующих магистерских программ; встречи с научными руководителями магистрантов.

Астрономы рассказали, какие черные дыры производят золото — Газета.Ru

Ученые смоделировали условия в окрестности черной дыры, чтобы исследовать происхождение тяжелых элементов вселенной. Статья об этом опубликована в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Все тяжелые элементы вселенной образовались в результате ядерного синтеза. При этом внутри обычных звезд, по современным представлениям, могли образоваться лишь элементы не тяжелее железа. Остальные, как золото или уран, появились в результате более редких событий, вроде слияния нейтронных звезд или черных дыр.

Ученые из немецкого Института тяжелых ионов создали модель плотного горячего аккреционного диска вокруг черной дыры, который образуется при слиянии массивных нейтронных звезд. Внутренний состав подобных дисков почти не изучен, в особенности, мало данных о том, при каких условиях в ходе ядерных реакций образуется избыток нейтронов. Известно только, что ключевую роль в этом процессе играют нейтрино, поскольку они обеспечивают преобразование протонов в нейтроны и обратно.

«В нашем исследовании мы впервые систематически исследовали скорость преобразования нейтронов и протонов для большого числа конфигураций дисков с помощью сложных компьютерных симуляций, и обнаружили, что диски очень богаты нейтронами при соблюдении определенных условий, – объясняет Оливер Джаст, руководитель исследования. – Решающим фактором является общая масса диска. Чем массивнее диск, тем чаще нейтроны образуются из протонов в результате захвата электронов при испускании нейтрино и доступны для синтеза тяжелых элементов с помощью r-процесса. Однако, если масса диска слишком высока, обратная реакция играет повышенную роль, так что нейтроны повторно захватывают больше нейтрино, прежде чем они покинут диск. Эти нейтроны затем превращаются обратно в протоны, что препятствует r-процессу». Как показывает исследование, оптимальная масса диска для обильного производства тяжелых элементов составляет от 0,01 до 0,1 массы Солнца.

Исследование показало, что слияние нейтронных звезд, создающее аккреционные диски с такими массами, может быть «фабрикой» большой доли тяжелых элементов. Однако в настоящее время неясно, как часто встречаются такие диски.

Что такое чёрная дыра

Если Солнце когда-нибудь станет таким телом, то его необходимо сжать до радиуса всего 9 км, а Землю и вовсе нужно сжать до размеров горошины.

Теория струн допускает рождение чёрных дыр микроскопических размеров от столкновения двух частиц (например, протонов). При ударе возможно их сильное сжатие, достаточное для появления микроскопической черной дыры, но время жизни её ничтожно и опасности она не представляет. Большой взрыв вполне мог способствовать появлению этих объектов, потому что тогда плотность материи была очень высокой. Но небольшие дыры наверняка испарились, теряя массу посредством излучений и потоков частиц. До наших времён могли дожить лишь тела, массы которых были больше 1012 кг. Нынешний размер таких объектов сопоставим с протоном или нейтроном.

Горизонт событий

Чёрные дыры создают невероятные гравитационные поля, поэтому пространство и времени возле них сильно искажается.

Горизонтом событий называют границу, из которой не могут вырваться объекты даже со скоростью света. За очень малое время вещество за горизонтом событий сжимается в точку – сингулярность.

Интересные факты

  • Время возле чёрных дыр протекает медленнее, нежели вдали от них. Если наблюдать за предметом, брошенным в этот объект, то движение предмета будет замедляться, а видимость его ослабляться. В конце он остановится и станет невидимым. Но если наблюдатель сам прыгнет туда, то мгновенно упадёт в центр дыры, а гравитационные силы разорвут его моментально. А увидит он всю жизнь вселенной, от рождения до смерти.
  • Интересное свойство — после преодоления горизонта событий: чем сильнее вы будете сопротивляться гравитации чёрной дыры и стремиться улететь подальше, тем быстрее вы упадёте в неё. Тяжело себе такое представить, согласитесь…
  • Неважно, что из себя представляло тело до сжатия, после этого процесса можно исследовать лишь три его параметра. Это электрический заряд, полная масса и момент импульса. Невозможно установить исходные параметры чёрной дыры – её форму, цвет, состав вещества.
  • Всё, попадающее за горизонт событий, обязательно падает к центру, где находится сингулярность, имеющая бесконечную плотность. Это место, где уже не работают законы физики и классические концепции пространства и времени.
  • Стивен Хоккинг сумел открыть испарения чёрных дыр. Крупные дыры будут испаряться очень долго —  десятки и сотни миллиардов лет, а микроскопические — за доли секунды. Гипотетическое испарение, или испускание фотонов называют излучением Хокинга. Этот процесс имеет чисто теоретическое обоснование. Согласно теории, черные дыры образовавшиеся при рождении Вселенной и имеющие массы 1012кг, к нашему времени должны полностью испариться. Поскольку интенсивность испарения возрастает с уменьшением размера, то этот процесс должен закончиться взрывом. Пока такие взрывы астрономами не наблюдались.
  • Классическая теория гравитации предполагает, что черную дыру невозможно ни уменьшить, ни уничтожить. Она может только увеличиваться. Из этого следует, что информация, попавшая внутрь недоступна для наружного наблюдателя.
  • Никто не знает наверняка, что мы увидим, приблизившись к чёрной дыре. Но вполне возможно, что она не такая и чёрная. Вещество, летящее на её поверхность, разгоняется и разогревается, и, перед тем, как нырнуть за горизонт событий, должно светиться. Поэтому перед нами будет не круглый тёмный вырез в пространстве, а сияющий ореол, немного похожий на солнце в момент его полного затмения.

Сверхмассивные чёрные дыры

Все галактики имеют в своём центре чёрные дыры, включая и нашу. Такие выводы сделаны на основании наблюдений движения межзвёздного газа и близких звезд. Расчёты показывают, что объекты в центре галактики должны иметь громадные массы при небольших размерах. Получается, что центр любой галактики и есть чёрная дыра. И массы их – миллионы и миллиарды масс Солнца. Все наблюдаемые звёздные системы со свойствами чёрных дыр имеют массы 4 – 16 солнечных.

В нашей галактике за 12 млрд. лет её жизни должны были образоваться десятки миллионов этих суперплотных объектов. Астрономические наблюдения это подтверждают, но природа появления таких сверхгигантских чёрных дыр пока не ясна.

Столкновение чёрных дыр

Если две чёрные дыры столкнутся, то должно произойти их слияние. Это событие будет сопровождаться излучением гравитационных волн.  По величине такая энергия составит несколько процентов от суммарной массы дыр. И существование гравитационных волн было доказано в обсерватории LIGOLIGO — лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория.Главная задача LIGO — экспериментальное обнаружение гравитационных волн космического происхождения. Эти волны впервые были предсказаны в общей теории относительности Эйнштейна в 1916 году, когда ещё не существовало технологий, необходимых для их обнаружения.

Многие сигналы — колебания звезд, еще какие-то — переводят в звуковую форму. Вот так жутковато выглядит звук слияния двух чёрных дыр:

Как их обнаружить

Обнаружить чёрную дыру возможно, если она входит в состав двойной системы, Например, в двойной системе одна из звезд взрывается, превращаясь в сверхновую. На оставшуюся звезду будет действовать гравитация соседки, следовательно вещество из звезды будет перетекать в чёрную дыру (она буквально будет «пожирать» звезду).

Вещество со звезды закрутится в спираль вокруг черной дыры, произойдёт его  сильное уплотнение и разогрев. Нагрев будет продолжаться до возникновения волнового излучения в рентгеновском диапазоне, по характеру которого и можно понять параметры объекта. Также, черная дыра, пролетая возле звезды, отклоняет ее с обычной траектории своей колоссальной гравитацией, тем самым выявляя себя. Чёрные дыры, не имеющие напарника-звезду, также существуют в теоретических расчётах.

Как изучают

Изучают черные дыры в основном при помощи математического моделирования и физики. Если теоретические выкладки согласуются с наблюдениями и не противоречат доказанным фактам, гипотеза превращается в общепризнанную теорию. Вот видео где это подробно рассмотрено:

Как черные дыры стали сверхмассивными

Сводный график ограничений и предпочтительных областей нашей модели в плоскости масс-аксионов сверхмассивной дыры. Зеленая область показывает наблюдаемые массы сверхмассивных черных дыр на красном смещении ∼6–7. Синяя область соответствует ограничениям из сверхизлучения ЧД (BHSR), серая область показывает ограничения из измерений леса Лайман-α, а в красной области длина волны DM превышает наименьшие наблюдаемые структуры DM, что обеспечивает нижнюю границу массы DM. (подробнее см. в основном тексте).Оранжевые и фиолетовые области представляют собой два эталонных сценария отношения между массой аксиона и первичной массой сверхмассивной черной дыры, приведенной в уравнении. (5) с f a = 10 17 ГэВ (фиолетовый) и f a = 10 18 ГэВ (оранжевый). Интенсивность цвета представляет собой уменьшение ϵ′ от 1 до 0,01. Кредит: Письма о физическом обзоре (2022 г. ). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.081101

Черные дыры — одна из самых загадочных тайн Вселенной. Ничто, даже свет, не может покинуть черную дыру.А в центре почти каждой галактики есть сверхмассивная черная дыра, которая в миллионы или миллиарды раз массивнее Солнца. Понимание черных дыр и того, как они становятся сверхмассивными, может пролить свет на эволюцию Вселенной.

Три физика из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) недавно разработали модель, объясняющую образование сверхмассивных черных дыр, а также природу другого явления: темной материи.В статье, опубликованной в Physical Review Letters , физики-теоретики Хуман Давудиасль, Питер Дентон и Джулия Герляйн описывают космологический фазовый переход, который способствовал образованию сверхмассивных черных дыр в темном секторе Вселенной.

Космологический фазовый переход сродни более знакомому типу фазового перехода: доведению воды до кипения. Когда вода достигает нужной температуры, она превращается в пузырьки и пар. Представьте, что этот процесс происходит с первичным состоянием материи.Затем сдвиньте процесс в обратном направлении, чтобы он имел охлаждающий эффект, и увеличьте его до масштабов Вселенной.

«До того, как появились галактики, Вселенная была горячей и плотной, и это точно установлено. То, как Вселенная остыла до того, что мы наблюдаем сегодня, представляет интерес, потому что у нас нет экспериментальных данных, описывающих, как это произошло», — сказал Питер. Дентон. «Мы можем предсказать, что произошло с известными частицами, потому что они часто взаимодействуют. Но что, если есть еще неизвестные частицы, которые ведут себя иначе?»

Чтобы изучить этот вопрос, команда Брукхейвена разработала модель темного сектора Вселенной, где много еще не открытых частиц, которые редко взаимодействуют друг с другом.Среди этих частиц может быть сверхлегкая темная материя, которая, по прогнозам, на 28 порядков легче протона. Темная материя никогда не наблюдалась напрямую, но физики считают, что она составляет большую часть материи Вселенной, основываясь на своих гравитационных эффектах.

«Частота взаимодействий между известными частицами предполагает, что материя в том виде, в каком мы ее знаем, не могла бы очень эффективно коллапсировать в черные дыры», — сказал Дентон. «Но если бы существовал темный сектор со сверхлегкой темной материей, в ранней Вселенной могли быть как раз подходящие условия для очень эффективной формы коллапса.

Недавние наблюдения показали, что сверхмассивные черные дыры образовались в ранней Вселенной гораздо раньше, чем считали физики. Это открытие оставляет мало времени для объяснения роста сверхмассивных черных дыр. Физики знают, что черные дыры приобретают массу главным образом двумя способами. Один из способов, называемый аккрецией, заключается в том, что материя, в основном пыль, падает в черные дыры. Но есть предел скорости, с которой материя может накапливаться в черных дырах в результате аккреции. Второй путь — через галактические столкновения, в ходе которых могут слиться две черные дыры; однако в ранней Вселенной галактики только начинали формироваться.Таким образом, физики задаются вопросом, как эти древние космологические чудеса так быстро стали такими огромными. Сверхлегкие частицы темной материи могут быть недостающим элементом.

«Мы предположили, что частицы в темном секторе могут подвергаться фазовому переходу, который позволяет материи очень эффективно коллапсировать в черные дыры», — сказал Дентон. «Когда температура Вселенной в самый раз, давление может внезапно упасть до очень низкого уровня, позволяя гравитации взять верх и материи разрушиться.Наше понимание известных частиц показывает, что этот процесс обычно не происходит».

Такой фазовый переход был бы драматическим событием даже для чего-то столь впечатляющего, как Вселенная.

«Эти коллапсы — большое дело. Они излучают гравитационные волны», — сказал Дентон. «Эти волны имеют характерную форму, поэтому мы делаем прогноз для этого сигнала и его ожидаемого частотного диапазона».

Текущие эксперименты с гравитационными волнами недостаточно чувствительны, чтобы подтвердить теорию, но эксперименты следующего поколения могут обнаружить сигналы этих волн.И, основываясь на характерной форме волн, физики могли затем сузить круг деталей образования сверхмассивных черных дыр. До тех пор теоретики из Брукхейвена продолжат оценивать новые данные и совершенствовать свою модель.


Образовались ли черные дыры сразу после Большого взрыва?
Дополнительная информация: Хуман Давудиас и др., Сверхмассивные черные дыры, сверхлегкая темная материя и гравитационные волны от фазового перехода первого порядка, Physical Review Letters (2022).DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.081101 Предоставлено Брукхейвенская национальная лаборатория

Цитата : Темная сторона Вселенной: как черные дыры стали сверхмассивными (11 марта 2022 г. ) получено 18 марта 2022 г. с https://физ.org/news/2022-03-dark-side-universe-black-holes.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.

Откуда берутся сверхмассивные черные дыры?

Астрономы довольно хорошо представляют себе, как образуется большинство черных дыр: массивная звезда умирает, и после того, как она становится сверхновой, оставшаяся масса (если ее достаточно) коллапсирует под действием силы собственной гравитации, оставляя после себя черную дыру. это от пяти до 50 раз больше массы нашего Солнца.Чего эта аккуратная история происхождения не может объяснить, так это того, откуда берутся сверхмассивные черные дыры, масса которых варьируется от 100 000 до десятков миллиардов в раз больше массы Солнца. Эти монстры существуют в центре почти всех галактик во Вселенной, а некоторые из них появились всего через 690 миллионов лет после Большого взрыва. С космической точки зрения это практически мгновение ока — этого недостаточно, чтобы звезда родилась, схлопнулась в черную дыру и съела достаточно массы, чтобы стать сверхмассивной.

Одно из давних объяснений этой загадки, известное как теория прямого коллапса, предполагает, что древние черные дыры каким-то образом стали большими без помощи стадии сверхновой.Теперь пара исследователей из Западного университета в Онтарио, Канада — Шантану Басу и Арпан Дас — нашли одни из первых твердых наблюдательных доказательств теории. Как они описали в конце прошлого месяца в Письме Астрофизического Журнала , они сделали это, наблюдая за квазарами.

Квазары — это сверхмассивные черные дыры, которые непрерывно всасывают или накапливают большое количество материи; они получили специальное название, потому что вещество, падающее в них, испускает яркое излучение, благодаря чему их легче наблюдать, чем многие другие виды черных дыр.Распределение их масс — сколько больше, сколько меньше, а сколько находится между ними — является основным показателем того, как они образовались.

Проанализировав эту информацию, Басу и Дас предположили, что сверхмассивные черные дыры могли возникнуть в результате цепной реакции. Они не могут точно сказать, откуда взялись семена черных дыр, но думают, что знают, что произошло потом. Каждый раз, когда одна из зарождающихся черных дыр аккрецировала вещество, она излучала энергию, которая нагревала соседние газовые облака.Облако горячего газа разрушается легче, чем холодное; с каждым большим приемом пищи черная дыра будет излучать больше энергии, нагревая другие газовые облака и так далее. Это согласуется с выводами нескольких других астрономов, которые считают, что популяция сверхмассивных черных дыр росла экспоненциально в младенчестве Вселенной.

Но в какой-то момент цепная реакция остановилась. По мере того как все больше и больше черных дыр, звезд и галактик рождались и начинали излучать энергию и свет, газовые облака испарялись.«Общее поле излучения во Вселенной становится слишком сильным, чтобы позволить такому большому количеству газа напрямую коллапсировать», — говорит Басу. «Итак, весь процесс подходит к концу». Он и Дас подсчитали, что цепная реакция длилась около 150 миллионов лет.

Общепринятый предел скорости роста черной дыры называется скоростью Эддингтона и представляет собой баланс между внешней силой излучения и внутренней силой гравитации. Этот предел скорости теоретически может быть превышен, если материя разрушается достаточно быстро; Модель Басу и Даса предполагает, что черные дыры аккрецировали материю в три раза быстрее, чем Эддингтон, пока шла цепная реакция.Для астрономов, регулярно имеющих дело с числами в миллионах, миллиардах и триллионах, три — это довольно скромно.

Исследование черных дыр | Национальный научный фонд

Пресс-конференция NSF, посвященная первым результатам проекта Event Horizon Telescope

Глобальная сеть телескопов работает над получением первого в истории изображения черной дыры. 10 апреля в 9 часов утра по восточному поясному времени Национальный научный фонд провел пресс-конференцию, на которой объявил, что было получено изображение черной дыры.

Скачать стенограмму

12 июля 2018 г.
Точки наблюдения нейтрино к одному источнику космических лучей высоких энергий

1 января 2018 г.
Сверхмассивные черные дыры контролируют звездообразование в крупных галактиках

7 декабря 2017 г.
Магнетизм черных дыр на удивление слабый

Черные дыры — чрезвычайно плотные скопления материи, объекты такой невероятной массы и мизерного объема, что они резко деформируют ткань пространства-времени.Все, что проходит слишком близко, от блуждающей звезды до фотона света, попадает в плен. Большинство черных дыр — это сконденсированные остатки массивной звезды, сколлапсировавшее ядро, оставшееся после взрыва сверхновой. Однако генеалогическое древо черных дыр имеет несколько ветвей, от крошечных структур, сравнимых с человеческой клеткой, до огромных гигантов, в миллиарды раз массивнее нашего Солнца.

Первичные черные дыры
Первичные черные дыры образовались в результате конденсации сырья в раннем космосе вскоре после Большого взрыва.Большинство из них были чрезвычайно крошечными, и хотя те, у которых была наименьшая масса, вероятно, испарились, первичные черные дыры с большей массой могут все еще существовать, хотя даже они остались незамеченными.

Черные дыры звездной массы
Наиболее распространенные черные дыры образуются в результате взрыва сверхновой, катастрофической гибели массивной звезды. Большинство черных дыр звездной массы примерно в пять-десять раз массивнее нашего Солнца, но Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория NSF (LIGO) обнаружила несколько таких дыр, масса которых в 100 раз превышает массу нашего Солнца.

Черные дыры промежуточной массы
В диапазоне масс между звездными и сверхмассивными черными дырами, то есть от сотен до сотен тысяч масс Солнца, находятся черные дыры промежуточной массы. Астрономы обнаружили доказательства нескольких кандидатов, но ни один из них не был окончательно обнаружен. Теоретики полагают, что существует три сценария их образования: они могли быть первичными черными дырами, они могли образоваться в средах, насыщенных звездами, или они образовались в результате слияния черных дыр звездной массы.

Сверхмассивные черные дыры
Сверхмассивные черные дыры имеют массы от миллионов до миллиардов масс Солнца и, по-видимому, находятся в центре почти всех галактик. Важной областью современной астрофизики является определение того, как появились сверхмассивные черные дыры: были ли они сформированы с такими большими массами или их масса со временем увеличивалась? Проект Event Horizon Telescope (EHT), финансируемый NSF, пытается получить изображение черной дыры, нацелившись на две сверхмассивные черные дыры, одну в центре галактики Мессье 87, а другую в нашем Млечном Пути.

Черные дыры уже давно вдохновляют воображение, но бросают вызов открытиям. Однако благодаря сочетанию теории и наблюдений ученые теперь многое знают об этих объектах и ​​о том, как они формируются, и даже могут видеть, как они влияют на свое окружение.

Итак, как можно изучать область пространства, которая определяется как невидимая?
Теоретики могут рассчитать свойства черных дыр, основываясь на своем понимании Вселенной, и такие открытия были сделаны целым рядом великих мыслителей, от Альберта Эйнштейна до Стивена Хокинга и Кипа Торна.Однако, несмотря на такую ​​мощь, трудно увидеть что-то, что не излучает фотоны, не говоря уже о том, чтобы улавливать любой проходящий свет.

Теперь, спустя почти столетие после того, как ученые предположили, что черные дыры могут существовать, у мира теперь есть инструменты, чтобы увидеть их в действии. Используя мощные обсерватории на Земле, астрономы могут наблюдать струи плазмы, которые черные дыры извергают в космос, обнаруживать рябь в пространстве-времени от столкновений черных дыр и, возможно, вскоре даже заглянут в диск разрушенной массы и энергии, который окружает черную дыру. горизонт событий, край, за который ничто не может уйти.

Телескоп Event Horizon проект

The Event Horizon Telescope — это международная коллаборация, целью которой является получение первого изображения черной дыры путем создания виртуального телескопа размером с Землю. Авторы и права: Нимеш А. Патель, Центр астрофизики | Гарвардский и Смитсоновский институт

Андреа Гез и группа Галактического центра Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе

Группа Галактического Центра изучает черную дыру в сердце Млечного Пути и то, как она влияет на свое окружение. Это многолетняя работа, направленная на то, чтобы лучше понять, как формировались и развивались галактики. Авторы и права: Орельен Хис, Туан До, Калифорнийский университет, Лос-Анджелес

Национальная радиоастрономическая обсерватория NSF (NRAO)

НРАО управляет несколькими мощными радиотелескопами, которые фиксируют беспрецедентные изображения космоса, в том числе плазменные струи и другие свидетельства существования черных дыр. Авторы и права: составлено Джайанн Инглиш, Университет Манитобы; Ф. Шинцель и др.; НРАО/АУИ/НСФ; DRAO/Canadian Galactic Plane Survey; и НАСА/ИРАС.

LIGO

NSF

Столетие назад Альберт Эйнштейн предсказал гравитационные волны — рябь в ткани пространства-времени, возникающую в результате самых бурных явлений во Вселенной.Исследователи, финансируемые NSF, используя один из самых точных инструментов из когда-либо созданных — лазерную интерферометрическую гравитационно-волновую обсерваторию (LIGO) — обнаружили гравитационные волны, которые исходят 1,3 миллиарда лет назад. Авторы и права: Проект моделирования eXtreme Spacetimes (SXS) (http://www.black-holes.org)

Понимание исследований NSF: астрономия и астрофизика

За более чем 60 лет Национальный научный фонд (NSF) значительно продвинул понимание Вселенной в качестве федерального распорядителя наземной астрономии.С момента своего первого контракта на строительство Национальной радиоастрономической обсерватории NSF финансировал строительство и эксплуатацию некоторых из самых известных в мире телескопов, предоставляя ученым приборы и оборудование мирового класса. Эти инвестиции сделали США мировым лидером в области наземной астрономии. Авторы и права: Европейская южная обсерватория/C. Малин

Черная дыра, увеличенный фон

С помощью телескопа Event Horizon ученые сделали первое изображение черной дыры

С помощью телескопа «Горизонт событий» ученые получили изображение черной дыры в центре галактики M87, очерченное излучением горячего газа, вращающегося вокруг нее под действием сильной гравитации вблизи ее горизонта событий.

Авторы и права: Сотрудничество Event Horizon Telescope et al.

Цвет сверхмассивной черной дыры, видимый Телескопом Горизонта Событий!

Цвет сверхмассивной черной дыры, видимый Телескопом Горизонта Событий! Если бы вы могли пролететь рядом со сверхмассивной черной дырой M87*, вы бы увидели именно это. В 55 миллионах световых лет от Земли, в сердце галактики Мессье 87, находится чудовищная черная дыра. Имея массу в 6,5 миллиардов раз больше массы нашего Солнца, он искажает пространство-время, как немногие объекты во Вселенной. Он окутал себя вращающимся диском сверхгорячей энергии и материи и излучает невообразимо мощные струи сверху и снизу.

Авторы и права: Николь Р. Фуллер/NSF

30 июня 2017 г.
ALMA и телескоп Event Horizon: памятка
Сверхмассивная черная дыра в центре нашей галактики скрыта за плотными облаками пыли и газа. С объединенной мощью всемирной сети радиотелескопов астрономы надеются заглянуть в сердце нашей галактики и впервые получить изображение самых краев черной дыры. Изображение предоставлено: NRAO/AUI/NSF

1 июня 2017 г.
LIGO обнаружила третье слияние черных дыр
Директор NSF размышляет о последнем открытии Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории и его значении. Уводя нас глубже во времени и пространстве способами, которые мы не могли сделать до обнаружения гравитационных волн. Изображение предоставлено: LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Аврора Симоннет)

15 июня 2016 г.
«Мош-ямы» в звездных скоплениях — вероятный источник первых черных дыр LIGO
Астрофизики Северо-Западного университета предсказали историю.Они показали, что их прошлогодние теоретические предсказания были верны: слияние двух массивных черных дыр, обнаруженное 14 сентября 2015 года, могло легко образоваться в результате динамических взаимодействий в плотном звездном ядре шарового скопления. Изображение предоставлено ESO/S. Брюнье

6 апреля 2016 г.
Одинокая реликвия черной дыры проливает свет на молодую вселенную
Астрономы, финансируемые NSF, с помощью 8-метрового телескопа Gemini North на острове Маунакеа на Гавайях исследовали загадочную и неожиданную сверхмассивную черную дыру, доминирующую в ядре большой галактики в космических заводях. Авторы и права: НАСА, ЕКА и Д. Коу, Дж. Андерсон и Р. ван дер Марел (Научный институт космического телескопа)

21 апреля 2015 г.
«Виртуальный телескоп» размером с планету расширяется до Южного полюса для детального наблюдения за черными дырами
Астрономы, создающие виртуальный телескоп, охватывающий весь земной шар, способный сфотографировать «горизонт событий» черной дыры в центре нашего Млечного Пути, расширили свой инструмент, включив в него Южнополярный телескоп (SPT), 280-тонный радиотелескоп, расположенный в Южнополярная станция Амундсена-Скотта Национального научного фонда (NSF) в Антарктиде. Изображение предоставлено Джоном Маллоном III, NSF

.

20 ноября 2014 г.
Научные изображения «Блокбастера»
На данный момент блокбастер «Интерстеллар» произвел такой ажиотаж, что нужно было бы чуть ли не оказаться внутри черной дыры, чтобы не знать об этом. И хотя научно-фантастический триллер, возможно, позволил себе некоторые вольности с наукой, чтобы заставить его голливудский сюжет работать, образы исходят прямо из науки — на самом деле, науки, финансируемой Национальным научным фондом. Изображение предоставлено: Джейсон Коски, Корнельский университет фотографии

11 июля 2014 г.
Изучение кардинальных изменений в галактиках
Эволюция галактик за миллиарды лет предлагает множество дразнящих подсказок о происхождении Вселенной. Элисон Койл пытается разгадать некоторые из этих загадок, изучая, как галактики менялись с течением времени и почему. Изображение предоставлено Элисон Койл, UCSD

14 апреля 2014 г.
Космический хлеб
Где-то в космосе вращается обыкновенная галактика, словно дремлет.И вдруг, БАХ! Вспышка света взрывается из центра галактики. Авторы и права: НАСА, С. Гезари (Университет Джона Хопкинса) и Дж. Гильошон (Калифорнийский университет, Санта-Крус)

18 февраля 2014 г.
Да будет свет
Черные дыры могут быть темными, но области вокруг них точно не темные. Эти плотные вращающиеся гиганты скручивают газ и материю сразу за своим горизонтом событий и генерируют тепло и энергию, которые частично излучаются в виде света. Изображение предоставлено Центром космических полетов имени Годдарда НАСА/J. Шнитман, Дж. Кролик (JHU) и С. Ноубл (RIT).

5 декабря 2011 г.
Обнаружены спящие гиганты
Недавно астрономы обнаружили самые массивные на сегодняшний день черные дыры. Каждая черная дыра, обнаруженная в двух отдельных соседних галактиках примерно в 300 миллионах световых лет от Земли, имеет массу, эквивалентную 10 миллиардам солнц. Изображение предоставлено: Обсерватория Близнецов / иллюстрация AURA Линетт Кук

2 февраля 2009 г.
Астрономы обнаружили связь между сверхмассивными черными дырами и образованием галактик
Пара астрономов из Техаса и Германии использовала телескоп Техасского университета в обсерватории Макдональда в Остине вместе с космическим телескопом Хаббла и многими другими телескопами по всему миру, чтобы обнаружить новые доказательства того, что самые большие, самые массивные галактики во Вселенной и сверхмассивные черные дыры в их сердцах со временем срослись. Изображение предоставлено: NASA/AURA/STScI и WikiSky/SDSS

23 апреля 2008 г.
Взгляд на ярость черной дыры
Используя массив очень длинных базовых линий (VLBA) Национального научного фонда (NSF) и множество международных телескопов-партнеров, группа исследователей провела самое четкое наблюдение самой внутренней области черной дыры. Изображение предоставлено: Marscher et al. , Wolfgang Steffen, Cosmovision, NRAO/AUI/NSF

апрель 2000 г.
7.Черные дыры подтверждены — Nifty 50
Вопрос о том, что находится в центре нашей Галактики Млечный Путь, остается одним из главных вопросов, оставшихся без ответа. Изображение предоставлено Чадом Бейкером/Thinkstock

Что такое черная дыра

Подобно тому, как вода стекает в канализацию, сама ткань пространства (и времени) утекает в одни из самых загадочных явлений во Вселенной — в черные дыры. Но что именно они собой представляют?

Они более распространены, чем мы думаем? Должны ли мы беспокоиться о них? Какую роль они играют во Вселенной?

Это лишь некоторые из общих вопросов, над которыми многие десятилетия размышляли величайшие умы астрофизики.

Давайте посмотрим, что им удалось узнать о «Великих пожирателях» космоса.

Какое определение у черной дыры?

Черные дыры могут быть определены, согласно НАСА, как «место в космосе, где гравитация притягивает так сильно, что даже свет не может выйти. Гравитация настолько сильна, потому что материя была сжата в крошечное пространство».

Поскольку свет не может вырваться из-под гравитации черной дыры, он кажется полностью черным — отсюда и название. Однако черные дыры можно «увидеть» с помощью специального анализа данных, собранных с самых разных телескопов (подробнее об этом позже).

Источник Kristof Wesely/Wikimedia Commons

Из чего состоят черные дыры и какие они существуют?

То, как образуются черные дыры, зависит от их типа и происхождения. На сегодняшний день ученым удалось определить по крайней мере четыре различных типа черных дыр:

  • Миниатюрные черные дыры
  • Промежуточные черные дыры
  • Звездные черные дыры
  • Сверхмассивные черные дыры

Современные теории предполагают, что маленькие или миниатюрные, черные дыры (некоторые размером с атом), вероятно, образовались в самые ранние моменты существования Вселенной.Эти крошечные черные дыры на сегодняшний день являются чисто теоретическими, и предполагается, что большинство из них, возможно, уже испарились. Считается, что эти крошечные черные дыры имеют массу в сотни масс Солнца или меньше.

Как и миниатюрные черные дыры, промежуточные черные дыры существуют только теоретически. Этот тип черной дыры будет иметь несколько сотен тысяч солнечных масс, а не миллионы или даже миллиарды солнечных масс, как их более крупные собратья.

Некоторые ученые считают, что промежуточные черные дыры образуются в результате слияния миниатюрных черных дыр.Другие считают, что если они действительно существуют, то образовались бы в результате коллапса звезд с массами, равными сотням тысяч солнечных масс (одна солнечная масса равна массе нашего собственного Солнца, или 1,989 × 10 30 кг). ).

Излишне говорить, что в этой области нет единого мнения по поводу этих типов загадочных черных дыр.

Художественное изображение черной дыры, Источник:   Cappan/iStock

Звездные черные дыры (массой примерно в 20 или более масс наших Солнц) образуются, когда массивные звезды коллапсируют сами в себя.

Как поясняет National Geographic , «на своих последних стадиях огромные звезды гаснут с грохотом в виде массивных взрывов, известных как сверхновые. Такой взрыв выбрасывает звездную материю в космос, но оставляет звездное ядро. Пока звезда была жива , ядерный синтез создал постоянный внешний толчок, который уравновешивал внутреннее притяжение гравитации от собственной массы звезды.Однако в звездных остатках сверхновой больше нет сил, противостоящих этой гравитации, поэтому звездное ядро ​​​​начинает коллапсировать. сам.»

Если эта масса коллапсирует в бесконечно маленькую точку, рождается черная дыра, во много раз превышающая массу нашего собственного Солнца. В нашей собственной галактике могут быть тысячи таких черных дыр звездной массы. 

Сверхмассивные черные дыры ( миллионы или даже миллиарды солнечных масс), как считается, формируются одновременно с формированием галактики, в которой они обитают, и это предсказывается общей теорией относительности Эйнштейна. В центре Млечного Пути находится сверхмассивная черная дыра, Стрелец A*. (произносится как «звезда»), которая может быть более чем в четыре миллиона раз массивнее нашего Солнца.Ученые не уверены, как появляются такие большие черные дыры, хотя существует ряд теорий.

Кто первым открыл черные дыры?

В наши дни все слышали о черных дырах, но задумывались ли вы, кто первым их открыл?

С технической точки зрения мы еще не «нашли» черную дыру, но мы можем сделать вывод об их существовании с помощью различных методов (подробнее об этом позже). При этом ученые размышляли о существовании чего-то подобного им на протяжении сотен лет.

В 1783 году, например, английский священнослужитель и ученый-любитель по имени Джон Митчелл сумел продемонстрировать, что закон всемирного тяготения Ньютона можно использовать, чтобы показать место, где гравитация была настолько сильной, что свет не мог выйти наружу.

Он пошел еще дальше. Митчелл предположил, что, хотя эти области будут невидимыми, они должны обнаруживать свое присутствие, мешая таким вещам, как звезды, которые могут вращаться вокруг них.

Джон Митчелл. Источник: Викимедиа

Его теоретическая работа на годы опередила его время благодаря более поздней новаторской работе великого Альберта Эйнштейна.

Эйнштейн впервые предсказал существование таких вещей еще в 1916 году в своей «Общей теории относительности». По его словам, достаточно большие звезды должны иметь возможность коллапсировать под действием собственной гравитации и создавать то, что мы сегодня называем черными дырами.

В течение десятилетий после этого черные дыры оставались чисто теоретическим понятием, а фактический термин не был придуман до 1967 года американским астрономом Джоном Уилером.

Работа Митчелла и Эйнштейна была подкреплена в 1971 году, когда два британских астронома, Луиза Уэбстер и Пол Мердин, независимо друг от друга объявили об открытии одного из них в космосе с помощью косвенных методов.Мердин работал в Королевской Гринвичской обсерватории в Лондоне, а Вебстер — в Университете Торонто.

То, что они обнаружили, было интенсивным источником рентгеновского излучения, теперь называемым Лебедем X-1, вращающимся вокруг голубой звезды на расстоянии около 6000 световых лет. Это было бы первым из многих.

Как бы все это ни было удивительно, совсем недавно ученым удалось «увидеть» его впервые. Еще в 2019 году коллаборации Event Horizon Telescope (EHT) удалось опубликовать компьютеризированное изображение того, что считается черной дырой.

Первое в истории изображение горизонта событий и аккреционного диска черной дыры. Источник EHT

Само изображение представляет собой составную визуализацию петабайта данных, собранных рядом радиотелескопов, расположенных по всему миру.

EHT сфокусировал радиотелескопы на центре галактики Мессье 87 (Дева A), где, как предполагалось, скрывалась черная дыра. Эта галактика находится где-то в районе 54 миллионов световых лет от Земли.

Считается, что рассматриваемая черная дыра имеет массу около 6.5 миллиардов солнц. Команда пыталась изучить и отобразить горизонт событий и аккреционный диск черной дыры (большое облако горячего газа и пыли, застрявшее на орбите вокруг черной дыры).

Они так и сделали, а через два года смогли изобразить форму магнитных полей в горячем газе, вращающемся вокруг дыры. Открытие этой черной дыры оказалось новаторским, поскольку есть надежда, что оно откроет совершенно новую область исследований природы черных дыр. В 2021 году астрономы воспользовались древним гамма-всплеском, чтобы обнаружить черную дыру промежуточной массы.Информация из Sloan Digital Sky Survey предполагает, что IMBH могут существовать в центре большинства карликовых галактик.

Каково определение горизонта событий черной дыры и что это такое?

Горизонт событий черной дыры — это ее внешняя граница. Это точка, в которой гравитационная сила преодолевает способность света избежать гравитационного притяжения черной дыры. Чтобы уйти от горизонта событий, нужно двигаться быстрее скорости света.

Источник Pitris/iStock

Это буквальная точка невозврата — пройдя ее, вы не сможете сбежать.По крайней мере, таков был традиционный взгляд.

Однако почтенный профессор Стивен Хокинг был непреклонен в том, что определение черной дыры следует изменить.

Он считал, что горизонты событий в их традиционном понимании на самом деле вообще не существуют. Что они, по сути, являются «видимыми горизонтами» на краю черных дыр, где квантовая механика сходит с ума.

Он утверждал, что здесь виртуальные частицы появляются и исчезают, заставляя горизонт колебаться, а не действовать как определенная точка в пространстве.

Теоретически эти «видимые горизонты» также являются точкой, где квантовые эффекты создают потоки горячих частиц, которые излучаются обратно во Вселенную — так называемое излучение Хокинга. Предполагается, что это может в конечном итоге привести к тому, что черная дыра излучает всю свою массу и исчезает.

Что находится в центре черной дыры?

Сингулярность черной дыры или гравитационная сингулярность — это точка в самом центре черной дыры. Это одномерная точка, содержащая огромное количество массы в бесконечно малом пространстве.

Источник: dottedhippo/iStock

Здесь гравитация и плотность становятся бесконечными, пространство-время изгибается бесконечно, и считается, что законы известной физики больше не действуют.

Кип Торн, выдающийся американский физик, описывает это как «точку, в которой нарушаются все законы физики».

Как выглядит черная дыра?

Поскольку свет не может покинуть горизонт событий черных дыр, их нельзя «увидеть» в традиционном смысле, как мы объясняли ранее.Однако мы можем сделать вывод об их существовании по их влиянию на другие тела в космосе (например, на Солнце и газовые облака), которые мы можем видеть.

Возможно, вскоре станет возможным обнаружить границу горизонта событий вокруг черной дыры, а точнее, определить исходящее от нее излучение Хокинга.

Источник: DanzelOficial/Pixabay

Предполагается, что излучение Хокинга состоит из фотонов, нейтрино и, в меньшей степени, других видов массивных частиц.

Что с вами будет, если вы упадете в черную дыру?

Теоретически, пока это сверхмассивная черная дыра, вы ничего не почувствуете — вы фактически будете в свободном падении (что Эйнштейн однажды назвал своей «самой счастливой мыслью»). Вы бы существовали, а потом вас бы не было. Согласно одной из теорий, приливные силы станут слишком сильными слишком быстро, чтобы вы могли дожить до горизонта событий, что приведет к спагеттификации (фактический технический термин).

Однако для наблюдателя это совсем другая история. Как только вы приблизитесь к горизонту событий, вам сразу же покажется, что вы резко ускоряетесь, растягиваетесь и искажаетесь до неприличия. Интересно, что вы будете двигаться в замедленном темпе по мере приближения к горизонту, пока не замрете (как будто на паузе).Теперь самое интересное.

Источник: Riddle/YouTube

По мере того, как вы приближаетесь к горизонту событий, далекий наблюдатель будет наблюдать, как ваше изображение замедляется и краснеет. Хотя ваше изображение будет казаться застывшим на горизонте событий, на практике вы исчезнете: фотонам станет труднее выбираться из гравитационного колодца черной дыры, а их длина волны будет увеличиваться до тех пор, пока их больше нельзя будет обнаружить.

После этого изображение станет фактически невидимым. Таким образом, наблюдатель увидит, что ваше изображение со временем краснеет и тускнеет, а затем полностью исчезает.

Для черных дыр меньшего размера вы подвергаетесь процессу, обычно называемому «спагеттификацией». Это совсем другая и несколько более тревожная история.

Вот интересное видео как раз на эту тему.

Что находится в центре черной дыры?

В центре черной дыры часто постулируется нечто, называемое гравитационной сингулярностью или сингулярностью. Здесь гравитация и плотность бесконечны, а пространство-время простирается до бесконечности.

Источник: NINS

Никто точно не может сказать, на что похожа физика в этой точке черной дыры.

Какая черная дыра ближе всего к Земле?

Ближайшие к Земле черные дыры находятся на расстоянии более тысячи световых лет от нас. На таком расстоянии эти черные дыры не окажут заметного влияния на нашу планету или окружающую среду.

В 2021 году астрономы заявили, что нашли крошечную черную дыру всего в 1500 световых годах от нас, получившую название «Единорог». Масса черной дыры примерно в три раза больше массы нашего Солнца, и она, по-видимому, является компаньоном красного гиганта.Миниатюрная черная дыра была обнаружена путем анализа того, как свет от красного гиганта меняет интенсивность и внешний вид в различных точках его орбиты. Они предположили, что искажение было вызвано очень маленькой черной дырой.

Следующая ближайшая черная дыра, называемая V616 Monocerotosis, находится на расстоянии 3000 световых лет от нас и имеет массу примерно в 9-13 раз больше массы нашего Солнца. После этого следует Лебедь X-1, который находится на расстоянии около 6000 световых лет и имеет массу около 15-20 солнц.

Далее следует GRO J0422 + 32, еще одна очень маленькая черная дыра с массой примерно от 3 до 5 масс Солнца, удаленная примерно на 7800 световых лет.

Насколько нам известно, ближайшая к нам сверхмассивная черная дыра Стрелец А* находится в центре нашей родной галактики — Млечного Пути. Этот монстр находится примерно в 27 000 световых лет от нас.

Исследования показывают, что черные дыры могут разрывать звезды на длинные ленты.

Сверхмассивная черная дыра в нашей галактике оценивается в несколько миллионов раз (приблизительно 4.в 1 миллион раз, если быть точным) массу нашего Солнца. Но не волнуйтесь, его огромное расстояние от нас не влияет напрямую на нашу солнечную систему — по крайней мере, пока.

Считается, что примерно через 4 миллиарда лет наша галактика столкнется с соседней галактикой Андромеды. Когда это произойдет, звезды и соответствующие им черные дыры могут смешаться в новую смешанную галактику.

Однако черные дыры — это не совсем «космические пылесосы», как их часто изображают. Фактически, объекты должны быть достаточно близко друг к другу, чтобы их можно было «засосать».

В представлении художника показаны две сливающиеся черные дыры, похожие на обнаруженные LIGO.

Продолжительность жизни черной дыры зависит от ее массы. Вы можете действительно узнать это, только запустив расчеты квантовой теории поля, чтобы выяснить это, что, мягко говоря, сложно.

Как правило, считается, что потеря массы из-за излучения Хокинга происходит с разной скоростью в зависимости от размера черной дыры.Интересно, что черные дыры с меньшей массой теоретически теряют свою массу быстрее, чем более крупные.

Это потому, что кривизна, которую они создают в пространстве, более интенсивна вокруг их горизонта событий. Но даже в этом случае на это уходит очень и очень много времени.

Например, предполагается, что черной дыре с массой Солнца потребуется 10 67 лет, чтобы полностью рассеяться. Для более крупных черных дыр во Вселенной это может занять невероятные 10 100 лет.

Эти цифры намного больше предполагаемого возраста нашей Вселенной, составляющего 13,8 миллиарда лет, но это не навсегда. Это означает, что когда все звезды и планеты давно погибнут, черные дыры будут доминировать, прежде чем исчезнут сами.

Источник: dric/Pixabay

Сколько черных дыр во Вселенной?

Какой длины кусок веревки? Сколько песчинок на пляже? Сколько звезд в Галактике? На эти вопросы почти невозможно ответить.

То же самое относится и к количеству черных дыр во Вселенной, поскольку было постулировано, что их так много, что их невозможно сосчитать.

Даже если бы мы попытались, мы никогда не получили бы правильного ответа, так как большая часть Вселенной будет скрыта от нашего взгляда навсегда. Если бы такая попытка была предпринята, нам сначала нужно было бы ограничить наш подсчет тем, что правильнее называть «наблюдаемой Вселенной».

Однако мы можем сделать некоторые обоснованные предположения.

Черные дыры звездной массы образуются из сверхновых массивных звезд.Один только наш Млечный Путь, вероятно, содержит тысячи черных дыр звездной массы.

Это должно означать, что в нашей галактике может быть до 100 миллионов черных дыр звездного масштаба. Но это число теоретически увеличивается с каждой секундой.

Источник Новости Калифорнийского технологического института/Caltech

Считается, что новые черные дыры звездной массы образуются примерно раз в секунду.

Если мы говорим о сверхмассивных черных дырах, то они, как правило, прячутся в центре галактик.В нашем локальном регионе космоса может быть 100 миллиардов сверхмассивных черных дыр или около того.

Как можно обнаружить черную дыру?

Учитывая природу этих небесных явлений, их невозможно наблюдать напрямую с помощью телескопов, использующих рентгеновские лучи, свет или любую другую форму электромагнитного излучения.

Скорее, их поиск или обнаружение требует некоторого нестандартного мышления. О них можно судить по их гравитационному воздействию на другие близлежащие материи и объекты.

Классический пример: черная дыра проходит через межзвездное облако. Это событие притянет материю внутрь черной дыры в процессе, известном как аккреция.

Концепция линзирования черной дыры, Источник : Kerr Newman/Wikimedia Commons

Звезды также могут отклоняться от своего «нормального» движения, если они проходят вблизи черной дыры, или, конечно же, могут быть разорваны на части.

В последнем сценарии материя звезды ускоряется по мере ее движения к черной дыре, излучающей в космос рентгеновское излучение.

Как объясняет НАСА , «недавние открытия предлагают дразнящие доказательства того, что черные дыры оказывают существенное влияние на окрестности вокруг них, испуская мощные гамма-всплески, пожирая близлежащие звезды и стимулируя рост новых звезд в некоторых областях, одновременно останавливая его. в других.»

Вы также можете увидеть периметр пространства, который находится близко к горизонту событий черных дыр, благодаря так называемому «эффекту линзы» или гравитационному линзированию. 

Вы также можете попытаться наблюдать излучение Хокинга черной дыры.Помимо этих методов, недавняя работа коллаборации EHT может открыть новые возможности не только для их обнаружения, но и для предварительных наблюдений за ними.

Сможете ли вы уничтожить черную дыру?

Как мы видели выше, вам не нужно (если вы можете прожить достаточно долго), просто подождите, пока они сами себя уничтожат. Но теоретически возможно искусственно разрушить черную дыру.

Источник Ю. Цзинчуань, Пекинский планетарий, 2019 г.

Оказывается, у черных дыр действительно может быть ахиллесова пята — их горизонты событий.Некоторые физики предположили, что если бы мы могли увеличить угловой момент черной дыры и/или заряд горизонта событий, мы могли бы обратить вспять присущее ей неравенство.

Это, в свою очередь, заставит черную дыру рассеяться и, возможно, обнажит ее центральную сингулярность. Однако, как именно вы это сделаете, остается только гадать.

Одна из главных проблем заключается в том, что все, что имеет угловой момент, также имеет массу. Если мы накормим черную дыру, пытаясь ее уничтожить, это переведет ее в динамическое состояние, и нет никакой гарантии, что она вернется в устойчивое состояние, не избавившись от искусственно добавленного излишка.

Но физики признают, что понятия не имеют, какими будут реальные последствия этого.

Что произойдет, если столкнутся две черные дыры?

Если столкнутся два объекта (одинаковой массы), в результате получится одна новая черная дыра двойного размера. Но событие будет невероятно жестоким.

Такое событие высвободит огромное количество энергии и может вызвать дальние колебания в самой ткани пространства-времени, так называемые гравитационные волны.

Хотя когда-то это было предметом научной фантастики и научной теории, астрофизики, похоже, действительно смогли обнаружить или наблюдать именно такое событие.В 2019 году ученые, использующие детекторы гравитационных волн в Центре переходных процессов Цвикки Калифорнийского технологического института в Паломарской обсерватории, заметили то, что, по их мнению, могло быть световой вспышкой от пары сталкивающихся черных дыр.

Черные дыры в конце концов коллапсируют?

Ответ на этот вопрос зависит от вашего смысла использования термина «коллапс».

Источник: solarseven/iStock

Если под коллапсом вопрошающий подразумевает конец черной дыры, тогда да. Черные дыры могут существовать очень долго, но они не бессмертны.

Хотя они и вымирают со временем, это не потому, что они «рушатся» в традиционном смысле этого слова.

Черные дыры, а именно их горизонты событий, становятся их крахом. Предполагается, что после того, как они поглотили всю возможную материю вокруг себя, они в конечном итоге испарились, поскольку энергия и масса со временем истощаются излучением Хокинга.

Если же рассматривать значение коллапса буквально, то ответ действительно будет совсем другим.По сути, черные дыры — это само определение коллапса.

В этом смысле черные дыры не могут делать ничего, кроме коллапса.

Черные дыры умирают?

Да, в конце концов. Но, действительно, это занимает очень много времени.

Процесс очень медленный и требует, чтобы черная дыра была лишена свежей материи от других небесных тел поблизости. Процесс распада черной дыры — это испускание излучения Хокинга, как мы уже упоминали ранее.

В большинстве случаев этот процесс, скорее всего, займет больше времени, чем текущий возраст Вселенной.Например, если взять черную дыру с массой нашего Солнца, то для ее испарения потребуется где-то 2×10 67 лет.

Для сравнения, возраст Вселенной составляет всего 13,8×10 9 лет. Такой черной дыре потребовалось бы более чем в 10 57 раз больше текущего возраста Вселенной, чтобы эта черная дыра испарилась. Удивительная мысль.

Из чего состоит черная дыра?

Проще говоря, мы не можем быть уверены. Черные дыры по определению являются областями пространства-времени, из которых экстремальные гравитационные силы не позволяют чему-либо, включая свет, ускользнуть.

Источник :  blackdovfx/iStock

Как только материя уходит за горизонт событий, она «спускается в кроличью нору», тем больше и больше наше понимание того, что там происходит, полностью разваливается.

Что находится по ту сторону черной дыры?

Являются ли они вратами в другие вселенные? Возможно, они образуют червоточины, с помощью которых мы можем быстро обогнуть бескрайнее пространство?

Существуют эти и многие другие теории относительно того, что может находиться по ту сторону черной дыры, но на самом деле считается, что реальность несколько разочаровывает.

Источник: SISSA

Эти массивные черные дыры скорее конечная остановка, чем путь куда-то еще.

Хотя мы не можем быть полностью уверены в том, что происходит за горизонтом событий, большинство физиков согласны с тем, что вы никуда не пойдете. Пересечение точки невозврата означает, что все, что поглощает черная дыра, просто становится ее частью.

Это буквально дорога в никуда. Объекты, попавшие в черную дыру, разрываются на части и включаются в большую массу объекта, пока не оказываются внутри сингулярности.

Их жертва приведет к тому, что черная дыра станет немного больше и сильнее. Все это, и вместо того, чтобы найти какую-то нирвану, все, что вас ждет, — это разборка и смерть.

Кто внес наибольший вклад в наши знания о черных дырах?

Мы уже рассмотрели нескольких наиболее важных ученых, которые внесли наибольший вклад в наше понимание черных дыр, но есть и много других важных участников. Вот некоторые из наиболее примечательных.

1. Джон Мичелл

Год главного открытия: 1783

Мичелл был английским естествоиспытателем и геологом, родившимся в 1724 году. Он написал письмо Генри Кавендишу, в котором постулировал идею массы, столь большой, что даже свет не мог избежать его тяги.

2. Пьер-Симон Лаплас

Год главного открытия: 1796

Лаплас был французским математиком и астрономом. Он продвигал ту же идею, что и Мичелл, в своей книге Exposition du système du Monde .

3. Альберт Эйнштейн.

Источник: Wikimedia Commons. Это последовало за его демонстрацией того, что на свет может влиять гравитация.

4. Карл Шварцшильд

Год главного открытия: 1916

Шварцшильд, немецкий физик, первым представил приложение общей теории относительности, которое можно было использовать для характеристики черной дыры.

5. Артур Эддингтон

Год главного открытия: 1924

Британский астрофизик Эддингтон заметил, что сингулярность в работе Эйнштейна может исчезнуть после изменения координат.

6. Роберт Оппенгеймер

Год главного открытия: 1939

Один из выдающихся физиков всех времен Оппенгеймер предсказал, что нейтронные звезды массой более 3 солнечных, вероятно, коллапсируют, образуя черные дыры.

7. Дэвид Финкельштейн

Год главного открытия: 1958

Финкельштейн, американский физик, признал, что поверхность Шварцшильда на самом деле является горизонтом событий.Он также смог расширить решение Шварцшильда для будущего падения наблюдателей в черную дыру.

8. Рой Керр

Год главного открытия: 1963

Керр, математик из Новой Зеландии, нашел решение для вращающейся черной дыры.

9. Эзра Ньюман

Год главного открытия: 1965

Ньюман, американский физик, постулировал осесимметричное решение для черной дыры, которая одновременно вращается и электрически заряжена.

10.Джеймс Бардин

Год главного открытия: 1970-е

Бардин, американский физик, вместе с Джейкобом Бекенштейном, Брэндоном Картером и Стивеном Хокингом работали над формулировкой термодинамики черных дыр.

11. Стивен Хокинг

Источник: Lwp Kommunikáció/Flickr

Год главного открытия: 1974

Британский физик-теоретик и космолог Хокинг показал, что черные дыры на самом деле не совсем «черные». Он постулировал, что небольшое количество теплового излучения, называемого излучением Хокинга, испускается черными дырами.

И это, знатоки черной дыры, ваш удел на сегодня.

Можем ли мы поздравить вас с завершением этого гигантского обзора черных дыр! Мы надеемся, что к настоящему моменту вы получили хорошее представление о том, что такое черные дыры, как они формируются и как они могут исчезнуть со временем.

Однако это только верхушка айсберга наших знаний об увлекательном и постоянно развивающемся аспекте астрофизики.

Черная дыра | КОСМОС

Черная дыра — это область пространства, в которой сила гравитации настолько сильна, что ничто, даже свет, не может покинуть ее.

Базовая структура черной дыры состоит из сингулярности, скрытой за горизонтом событий. В пределах горизонта событий скорость убегания ( v esc ) превышает скорость света ( c ), и объект оказывается в ловушке навсегда. За пределами горизонта событий v esc c и объект может убежать.

Первые предположения о существовании таких объектов были сделаны еще в конце 1700-х годов. Однако именно Карл Шварцшильд (1873-1916), немецкий астроном, в основном развил современное представление о черной дыре.Используя общую теорию относительности Эйнштейна, Шварцшильд обнаружил, что материя, сжатая до точки (теперь известной как сингулярность), будет заключена в сферическую область пространства, из которой ничто не может выйти. Граница этой области называется горизонтом событий, что означает невозможность наблюдать какое-либо событие, происходящее внутри нее (поскольку информация не может выйти наружу).

Для невращающейся черной дыры радиус горизонта событий известен как радиус Шварцшильда и отмечает точку, в которой скорость убегания от черной дыры равна скорости света. Теоретически любую массу можно сжать настолько, чтобы образовалась черная дыра. Единственное требование состоит в том, чтобы его физический размер был меньше радиуса Шварцшильда. Например, наше Солнце стало бы черной дырой, если бы его масса находилась внутри сферы диаметром около 2,5 км.

Внутри горизонта событий находится сердце черной дыры — сингулярность. Все в пределах горизонта событий необратимо притягивается к этой точке, где искривление пространства-времени становится бесконечным, а гравитация бесконечно сильной.Интересная дилемма для астрофизиков заключается в том, что физические условия вблизи сингулярности приводят к полному нарушению законов физики. Тем не менее в общей теории относительности нет ничего, что мешало бы существованию изолированных или «голых» сингулярностей. Чтобы избежать ситуации, когда мы действительно могли бы наблюдать этот сбой в физике, была предложена гипотеза о космической цензуре. Это говорит о том, что у каждой сингулярности должен быть горизонт событий, скрывающий ее от глаз — именно то, что мы находим для черных дыр.

Черные дыры полностью характеризуются всего тремя параметрами: массой, вращением и зарядом. В настоящее время считается, что существует 4 основных типа черных дыр, классифицированных по массе:

.
  1. Изначальные черные дыры имеют массу, сравнимую с массой Земли или меньшую. Эти чисто гипотетические объекты могли образоваться в результате гравитационного коллапса областей высокой плотности во время Большого взрыва.
  2. Звездная масса Черные дыры имеют массу от 4 до 100 масс Солнца и являются результатом коллапса ядра массивной звезды в конце ее жизни.
  3. Черные дыры промежуточной массы из 10 2 и 10 5 солнечных масс также могут существовать. Первая хорошая IMBH — это рентгеновский источник HLX-1, видимый в проекции вблизи центра галактики S0 ESO 243-49.
  4. Сверхмассивные черные дыры весят от 10 5 до 10 10 масс Солнца и находятся в центрах большинства крупных галактик.

В качестве альтернативы черные дыры можно классифицировать по двум другим их свойствам: вращению и заряду:

  1. Черная дыра Шварцшильда , также известная как «статическая черная дыра», не вращается и не имеет электрического заряда.Он характеризуется исключительно своей массой.
  2. Черная дыра Керра — более реалистичный сценарий. Это вращающаяся черная дыра без электрического заряда.
  3. Заряженная черная дыра может быть двух типов. Заряженная невращающаяся черная дыра известна как черная дыра Рейснера-Нордстрема, заряженная вращающаяся черная дыра называется черной дырой Керра-Ньюмена.

Согласно классической общей теории относительности, если черная дыра образовалась, она будет существовать вечно, поскольку ничто не может ускользнуть от нее.Однако, если принять во внимание и квантовую механику, оказывается, что все черные дыры в конце концов испарятся, поскольку они медленно испускают излучение Хокинга. Это означает, что время жизни черной дыры зависит от ее массы, причем меньшие черные дыры испаряются быстрее, чем большие. Например, черная дыра массой 1 солнечная испаряется за 10 67 лет (намного дольше, чем нынешний возраст Вселенной), а черная дыра массой всего 10 11 кг испарится за 3 миллиарда лет.

Черные дыры обнаруживаются путем наблюдения за высокоэнергетическими явлениями и движениями близлежащих объектов. Этот график орбитального движения звезды S2 вокруг центра Млечного Пути является убедительным доказательством существования сверхмассивной черной дыры (~3 миллиона солнечных масс) в центре нашей галактики.
Кредит: ЕСО

Получение наблюдательных данных о черных дырах, конечно, не так просто. Поскольку излучение не может избежать сильного гравитационного притяжения черной дыры, мы не можем обнаружить его напрямую.Вместо этого мы делаем вывод об их существовании, наблюдая высокоэнергетические явления, такие как рентгеновское излучение и джеты, а также движения близлежащих объектов на орбите вокруг скрытой массы. Дополнительная сложность заключается в том, что подобные явления наблюдаются вокруг менее массивных нейтронных звезд и пульсаров. Поэтому идентификация как черная дыра требует от астрономов оценки массы объекта и его размера. Черная дыра считается подтвержденной, если никакой другой объект или группа объектов не могут быть такими массивными и компактными.


Сверхмассивная черная дыра | COSMOS

Как следует из названия, сверхмассивные черные дыры содержат от миллиона до миллиарда раз больше массы, чем обычная звездная черная дыра.Хотя существует всего несколько подтвержденных сверхмассивных черных дыр (большинство из них слишком далеко, чтобы их можно было наблюдать), считается, что они существуют в центре большинства крупных галактик, включая центр нашей собственной галактики Млечный Путь.

В течение многих лет у астрономов были лишь косвенные доказательства существования сверхмассивных черных дыр, наиболее убедительным из которых было существование квазаров в удаленных активных галактиках. Наблюдения за выходом энергии и временными масштабами изменчивости квазаров показали, что они излучают в триллион раз больше энергии, чем наше Солнце, из области размером примерно с Солнечную систему.Единственный механизм, способный производить такое огромное количество энергии, — это преобразование гравитационной энергии в свет массивной черной дырой.

Совсем недавно прямые доказательства существования сверхмассивных черных дыр были получены в результате наблюдений за веществом, вращающимся вокруг центров галактик. Высокие орбитальные скорости этих звезд и газа легко объяснить, если они ускоряются массивным объектом с сильным гравитационным полем, находящимся в небольшой области пространства, т.е.е. сверхмассивная черная дыра.

Астрономы до сих пор не знают, как образуются эти сверхмассивные черные дыры. Звездные черные дыры возникают в результате коллапса массивных звезд, и некоторые предполагают, что сверхмассивные черные дыры образуются в результате коллапса массивных газовых облаков на ранних стадиях формирования галактики. Другая идея заключается в том, что звездная черная дыра поглощает огромное количество материала за миллионы лет, увеличившись до размеров сверхмассивной черной дыры. Еще одна причина состоит в том, что скопление звездных черных дыр формируется и в конечном итоге сливается в сверхмассивную черную дыру.

Считается, что струя, испускаемая галактикой M87, питается от сверхмассивной черной дыры в центре галактики.
Авторы и права: НАСА/GSFC

Каким бы ни был механизм их образования, большинство астрономов согласны с тем, что аккреция материала на сверхмассивную черную дыру приводит в действие как активные галактические ядра, так и галактические джеты.


Как сверхмассивные черные дыры росли так быстро?

Это проблема, которая давно мучает астрономов. Наше нынешнее понимание предполагает, что в этот период времени должны были расти только так называемые черные дыры промежуточной массы, в 100 000 раз превышающие массу нашего Солнца.И хотя было предложено несколько теорий этого быстрого раннего роста черной дыры, ответ остается неуловимым.

«Это по-прежнему огромная проблема в астрофизике», — сказал доктор Джон Риган, астрофизик из Дублинского городского университета, Ирландия.

Черные дыры образуются после того, как у массивной звезды заканчивается топливо, иногда в результате взрыва сверхновой, а иногда и без сверхновой, что называется сценарием прямого коллапса. Как только у звезды не остается топлива для сжигания, она больше не может поддерживать свою массу и коллапсирует.Если масса звезды была достаточно велика, она схлопнется в объект с огромным гравитационным притяжением, из которого ничто, даже свет, не может вырваться — черная дыра.

По мере того, как черная дыра постепенно втягивает все больше и больше пыли и газа, она может увеличиваться в размерах, в конечном итоге достигая гигантских размеров сверхмассивной черной дыры, такой как первая из когда-либо показанных в апреле 2019 года. черные дыры могли образоваться из сверхмассивных звезд, которые коллапсировали, образуя большие «зародышевые» черные дыры, что давало им фору в их росте.

Доктор Риган координировал проект под названием SmartStars, в рамках которого использовался один из самых мощных суперкомпьютеров в Ирландии, ICHEC, для моделирования того, как сверхгигантские звезды могут дать семена для сверхмассивных черных дыр. Команда хотела выяснить, могут ли эти звезды объяснить быстрый рост сверхмассивных черных дыр, которые мы наблюдаем сегодня в центре почти каждой галактики.

250 000

Они обнаружили, что такие звезды могут вырасти до массы Солнца в 250 000 раз в течение 200 миллионов лет после Большого взрыва — дразнящий результат.Однако даже у суперкомпьютеров есть свои ограничения. Исследователи смогли смоделировать будущее таких звезд только на миллион лет, но моделирование должно охватывать 800 миллионов лет, чтобы увидеть, действительно ли эти звезды могут быть семенами сверхмассивных черных дыр.

— Это отличная отправная точка, — сказал доктор Риган. «В следующем поколении суперкомпьютеров мы сможем продвигать эти симуляции все дальше и дальше». черные дыры слились вместе, чтобы вырасти в сверхмассивную черную дыру.

Доктор Мухаммад Латиф, астрофизик из Университета Объединенных Арабских Эмиратов в Абу-Даби, согласен с доктором Риганом в том, что модель сверхмассивной звезды остается нашей лучшей теорией на данный момент. Доктор Латиф был главным исследователем проекта FIRSTBHs, который, как и SmartStars, исследовал правдоподобие модели сверхмассивной звезды, используя моделирование на суперкомпьютере во Франции.

‘Это как пойти в детский сад и найти двухметрового младенца’.

Д-р Мухаммед Латиф, Университет Объединенных Арабских Эмиратов

Его проект, выполненный в CNRS во Франции, показал, что сверхмассивные звезды могут производить черные дыры-семянки, масса которых в сотни тысяч раз превышает массу нашего Солнца.«Мы обнаружили, что этот метод в основном осуществим», — сказал доктор Латиф, объяснив, что эти исходные черные дыры достаточно велики, чтобы объяснить рост сверхмассивных черных дыр в миллиард солнечных масс за небольшой промежуток времени.

Однако для образования этих черных дыр необходимы условия в ранней Вселенной. Потребовалось бы большое количество материала, состоящего из водорода и гелия, чтобы сформировать достаточно массивные черные дыры-затравки, чтобы получить сверхмассивные черные дыры, что, по-видимому, было возможно.

Но другие необъяснимые факторы означают, что это все еще открытый вопрос. Затравочные черные дыры должны будут втягивать материю со скоростью не менее 0,1 массы Солнца в год, например, и на данный момент неясно, возможно ли это.

Обсерватории

Несколько обсерваторий уже позволяют нам детально исследовать черные дыры в ранней Вселенной. В октябре 2019 года астрономы объявили, что они использовали Атакамскую большую миллиметровую/субмиллиметровую решетку (ALMA) в Чили, чтобы найти толстое кольцо из пыли и газа вокруг сверхмассивной черной дыры внутри далекой галактики.Считается, что с двумя потоками газа, вращающимися в противоположных направлениях, это кольцо могло снабдить сверхмассивную черную дыру достаточным количеством материала, чтобы заставить ее быстро расти.

Ранее, в августе 2019 года, рентгеновской обсерватории НАСА «Чандра» удалось обнаружить так называемую «скрытую» черную дыру, быстро растущую, когда возраст Вселенной составлял всего 6% от ее нынешнего возраста. Густое облако газа скрывает черную дыру и образовавшийся квазар, яркую область перегретого материала, окружающую ее, но Чандра смогла обнаружить ее, увидев рентгеновские лучи, исходящие из облака.

Тем не менее, будущие телескопы, вероятно, потребуются для более подробного изучения быстрого роста сверхмассивных черных дыр. Например, хотя мы можем предсказать существование затравочных черных дыр, мы пока не можем их увидеть. Предстоящий космический телескоп НАСА Джеймса Уэбба (JWST), который должен быть запущен в 2021 году, может обнаружить некоторые из неоткрытых черных дыр.

Усовершенствованный телескоп Европейского космического агентства для астрофизики высоких энергий (ATHENA), запуск которого запланирован на 2031 год, должен дать нам еще лучшее понимание того, как возникают сверхмассивные черные дыры.