Сюрпризи, які нам піднесли чорні діри

Сюрпризи, які нам піднесли чорні діри

Чорна діра – це величезна кількість матерії, втиснутой в крихітну область, з величезним гравітаційним тяжінням, не відповідним розмірам цієї області. Багато чорні діри утворюються, коли гігантські вмираючі зірки колапсують. Ці пожирачі всього і вся володіють таким потужним притяганням, що навіть світло не може покинути певні межі діри. Так вважають учені.

Уявіть собі це так. Якщо б Земля стала чорною дірою (цього, звичайно, не станеться), вона важила б стільки ж, але за розмірами була менше очного яблука. При цьому це очне яблуко мало б таким же гравітаційним тяжінням, і Місяць обертався б на його орбіті.

Ви не можете побачити чорну діру безпосередньо, тому що кордон навколо її утроби (горизонт подій) не дає світла повернутися. Але невидимий вітер згинає і розгойдує дерева – ми знаємо, що чорні діри існують, оскільки бачимо ефекти, які вони виявляють на своє оточення.

Не всі вчені вірять в чорні діри. Але ті, хто вірять, не перестають дивуватися.

Наші предки могли бачити чорну діру Чумацького Шляху

Близько двох мільйонів років тому в центрі нашої галактики з’явилася надмасивна чорна діра, освітивши все навколо радіаційним світлом. На той момент чоловік тільки встав на задні ноги і навчився ходити прямо. Наші предки могли бачити місяць з світу в південній частині неба, яскраве пляма.

Наша чорна діра Sagittarius A* зараз веде себе тихо. Але тоді вона була активним галактичним ядром, викидати енергію, яка затьмарювала все інше. Причиною цього була «годування» чорної діри, її гравітаційна тяга приваблювала матерію, яка утворює диск, який нагрівався і світився. Якщо диск складається з гігантської кількості матерії, два яскравих джета (потоку) високоенергетичних частинок будуть променіти з чорної діри, перпендикулярно її обертання.

Астрономи розробили теорію активного галактичного ядра в 2010 році, коли натрапили на два міхура Фермі, розтягнувся на 25 000 світлових років над і під нашою галактикою. Вчені вважають, що джети активного ядра галактики могли створити ці бульбашки від одного до трьох мільйонів років тому. Наші далекі предки могли спостерігати світло чорної діри кілька тисяч років. Кріс Стрінгер, антрополог, вважає, що це «було початок роду Homo. Інструменти з каменю вже почали робити, але мозок тільки почав збільшуватися». Якщо Sagittarius A* знову стане активним галактичним ядром, ми можемо отримати власне светопредставленіе в нічному небі.

Не тільки чорні діри є потужними джерелами енергії

Протягом багатьох років багато вчених вважали, що надзвичайно яскраві рентгенівські джерела, відомі як ультраяскравих джерела рентгенівських променів (ULX), виникають, коли чорні дірки пожирають зірки або іншу матерію. Коли потужна гравітація чорної діри притягує газ найближчої зірки, газ закручується в спіраль і утворює диск аккреції навколо чорної діри. Як вода закручується, перш ніж піти у водопровід, газ прискорюється, нагрівається до надзвичайно високих температур і починає випромінювати рентгенівський світло у всіх напрямках. Чим більше чорна діра «їсть», тим яскравіше світло.

Такою була теорія. Але потім в найближчій галактиці M82 астрономи випадково виявили джерело ULX, який пульсує, випромінюючи яскраві рентгенівські промені, які потрапляють на Землю кожні 1,37 секунд, немов світло маяка. Проблема в тому, що чорні діри не пульсують. Пульсари пульсують.

Пульсар – це обертається нейтронна діра (залишки вмираючої зірки, яка була недостатньо великий, щоб стати чорною дірою), яка випромінює рентгенівський світло в магнітних полюсах. Тим не менш пульсар в галактиці M82 був у 100 разів яскравіше, ніж дозволяла його маса, якщо керуватися фізичною межею Еддінгтона. Він не повинен був бути джерелом ULX. Грубо кажучи, пульсар володів потужністю чорної діри при набагато меншій масі. Такий собі еквівалент чорної діри на дієті.

Тепер астрономи повинні переглянути інші джерела ULX і перевірити, пульсують вони. Виходить, не кожен джерело ULX – чорна діра.

Більш вимоглива, ніж можна уявити

До недавнього часу вчені думали, що розмір чорної діри визначає максимальну швидкість, з якою вона поглинає і виробляє світло (вищезгаданий межа Еддінгтона). Поки не виявили P13, чорну діру в галактиці NGC7793, яка обертається навколо сверхгигантской зірки, пожираючи її. При цьому P13 пожирає газ свого компаньйона в 10 разів швидше, ніж це було можливо на думку астрономів.

P13, як вважають, в 15 разів менше нашого Сонця, але в мільйон разів яскравіше. Вона може поглинути свого супутника менше ніж за мільйон років, що досить швидко за мірками космосу. Ця маленька чорна діра поглинає матерію, еквівалентну сотні мільярдів хороших бутербродів або хот-догів, кожну хвилину. З цього приводу астрономи жартують: «Як показав легендарний поедатель хот-догів Такеру Кобаяші [дуже худий хлопець], розмір не завжди має значення у світі поїдання на швидкість, і навіть невелика чорна діра може поглинати газ з неймовірною швидкістю», – Роберто Сориа.

Як і пульсар M82, P13 є ультраяскравих джерелом рентгенівського випромінювання, що також порушує межа Еддінгтона. Астрономи намагаються зрозуміти, чи є якесь обмеження того, як багато може з’їсти чорна діра.

Надмасивних чорних дір може бути більше, ніж ми думали

Чорні дірки бувають різних розмірів, від первинних (розміром з атом, наприклад) до надмасивних (з масою більше мільйона сонць, упакованих до розміру сонячної системи). Можуть бути навіть рідкісні гіганти – ультрамассивные чорні діри. Колись думали, що тільки у великих галактиках можуть бути масивні чорні діри. Але на початку 2014 року астрономи виявили більше сотні карликових галактик з сверхмассивными чорними дірами в центрі. Порівняно з Чумацьким Шляхом, у якому 200-400 мільярдів зірок, в карликовій галактиці може бути всього декілька мільярдів зірок.

У вересні 2014 року астрономи знайшли надмасивну чорну діру в надкомпактному карликовій галактиці M60-UCD1, найщільнішої з відомих сьогодні галактик. Якби ви жили в M60-UCD1, ви бачили б мільйон зірок в нічному небі (на Землі неозброєним оком можна побачити тільки близько 4000).

Хоча маса чорної діри в центрі Чумацького Шляху – близько чотирьох мільйонів сонячної, на неї припадає менше 0,01% загальної маси нашої галактики. Порівняно з нею, діра в центрі M60-UCD1 просто монстр, масою в 21 мільйон сонць – 15% від загальної маси галактики. На основі цих висновків деякі астрономи вважають, що безліч компактних карликових галактик можуть бути останками великих галактик, які були розірвані на частини, зіткнувшись з іншими галактиками. Тому в їх центрах може бути безліч надмасивних чорних дір.

Юні пожирачі маси

Квазари – це яскраві центри більшості віддалених галактик, які ми можемо бачити у Всесвіті. Вважають, що вони являють собою надмасивні чорні діри з дисками аккреції, випромінюючими неймовірно яскравий рентгенівський світло. Квазари можуть світити в трильйони разів яскравіше нашого Сонця. І можуть бути за мільярди світлових років від Землі. Дивитися на квазар – це як дивитися на його дитячий знімок.

Вчені довго думали над тим, як чорна діра могла почати з 10 сонячних мас і швидко вирости до мільярда сонячних мас незабаром після Великого Вибуху. При нормальних умовах газ по спіралі стягується до чорної діри, утворюючи диск аккреції. Деяка кількість газу стікає всередину, але зазвичай є процеси, які уповільнюють зростання чорної діри.

Вчені вважають, що в юної Всесвіту були потік холодного газу, більш щільні, ніж сьогодні. Юна чорна діра могла рухатися швидше, постійно змінюючи напрямок, подібно немовляті Pac-Man, пожираючи юні зірки навколо. Швидкі зміни напрямку могли привести до того, що чорна діра поглинала матеріал прямо з щільних газових потоків так швидко, що її зростання не сповільнювався. Чим старше ставала чорна діра, тим швидше вона насичується. В межах щодо недовгих 10 мільйонів років, чорна діра могла вирости з 10 сонячних мас до 10 000. Потім ріст сповільнився. Але шлях до масі в мільярд сонячних мас був вже прокладено.

Чорні діри заважають утворенню зірок

Вчені виявили, що масивні чорні діри в зрілих галактиках можуть заважати розвитку юних зірок, вивергаючи частинки, що випускають радіохвилі. Подорожуючи майже з околосветовой швидкістю, ці нагріті джети діють як вимикачі, не даючи газу в галактиці охолоджуватися і конденсуватися в нові зірки. Вчені не знають, чому центральні чорні діри в старих і часто еліптичних галактиках починають випускати ці частинки.

До недавнього часу вчені вважали, що центральні чорні діри винні в наявності «червоних і мертвих галактик, що складаються лише зі старих зірок. Але потім вони виявили кілька компактних і юних галактик, які померли передчасно. Ці юні галактики володіють масою Чумацького Шляху, втиснутой у відносно невелику площу.

На основі своїх досліджень команда астрономів вирішила, що ці зірки відповідальні за активацію власного вимикача в юних галактиках. Спалах звездообразующей активності почалася зі зіткнення двох багатих газом галактик, які привезли багато холодного газу в компактний центр злиття галактик. Потім енергія шаленої активності могла вибити весь газ, що призвело до скасування майбутнього утворення зірок. Також можливо, що газ в цих галактиках просто став занадто гарячим, щоб охолодитися і сконденсуватися в нові зірки.

«Око Саурона» показав, що чорні діри важать більше

Зараз астрономи думають, що надмасивні чорні діри в центрах галактик важать на 40% більше, ніж передбачалося спочатку. Це також може пояснити, чому межа Еддінгтона не працює у деяких розрахунках маси.

Вчені використовували наземну техніку для вимірювання дистанції до галактики NGC 4151, активне ядро якої називають «Око Саурона», оскільки воно схоже на однойменний об’єкт з фільму «Володар кілець». Колишнє вимірювання відстані від Землі до NGC 4151, точніше до її центральної чорної діри, оцінювалося в 13-95 мільйонів світлових років. За допомогою телескопів Кека на Гаваях вдалося домогтися 90-відсоткової точності вимірювань. Чорна діра NGC 4151 активна, поглинає найближчий газ і випускає рентгенівський світло. Ультрафіолетове випромінювання нагріває диск пилу, що обертається навколо чорної діри. Через 30 днів пил починає випромінювати інфрачервону радіацію. На основі цього часу і швидкості світла вчені розрахували відстань від чорної діри до пилового диска. Подальші розрахунки показали, що до «Око Саурона» приблизно 62 мільйони світлових років. На основі цих розрахунків і техніки вчені тепер можуть більш точно обчислити масу надмасивних чорних дір.

Пояснити політ джмелів

До недавнього часу дослідники гравітації в більшості своїй припускали, що простір-час не може бути турбулентним. Але ця думка виявилася помилковою, коли вчені вирішили перевірити, чи може гравітація вести себе подібно рідині. При певних умовах рідини турбулентны. Вони можуть закручуватися і завихряться.

Вчені вирішили перевірити свою здогадку на прикладі быстровращающейся чорної діри. Простір-час навколо такої діри менш в’язке, що збільшує шанс на появу турбулентності, за аналогією з будь легкою рідиною. Результати здивували всіх.

«За останні кілька років ми пройшли шлях від серйозних сумнівів з приводу того, що гравітація може бути турбулентної, до майже повної впевненості в тому, що так, може», – говорить учений Луїс Ленер.

Дуже скоро нові детектори дозволять фіксувати гравітаційні хвилі, брижі в просторі-часу, яка поводиться як хвиля в океані, коли по ньому пливе корабель. У космосі гравітаційна рідина може покриватися брижами внаслідок потужних космічних подій на зразок злиття двох чорних дір. Також ці дослідження можуть допомогти в дослідженні турбулентності на Землі – включаючи фізику ураганів, вплив вітру на літаки і абсолютно неможливого на перший погляд польоту джмелів.

Кримінальний секрет галактичного центру

Деякі астрономи вважають, що в космосі є щось кримінальне у перетворенні пульсарів у невеликі чорні діри. Вони називають це «проблемою відсутніх пульсарів». Як ми пам’ятаємо, пульсари – це обертаються нейтронні зірки (залишки зірки, яка була замалою, щоб стати чорною дірою), які випромінюють радіацію з магнітних полюсів, подібно до маяка. З такою кількістю зірок у нашій галактиці хоча б 50 мертвих зірок повинні стати пульсарами в центрі Чумацького Шляху. Але астрономи змогли знайти тільки один.

Є кілька можливих пояснень, але найцікавіше включає чорну матерію. Як і чорні дірки, темна матерія невидима і може бути зафіксована тільки по гравітаційному впливу на інші об’єкти в космосі.

Вчені припустили, що гравітація пульсара може притягувати певних частинки темної матерії, в результаті чого пульсар «розбухає» до такого розміру, що колапсує в чорну діру. Пульсари стають настільки великими, що пробивають дірку в тканині простору-часу і зникають.

«Темна матерія не може збиратися так щільно або так швидко в центрах звичайних зірок, – говорить учений Джозеф Браманте. – Але в пульсарах темна матерія може збиратися в 2-метровий шар. Потім цей шар колапсує в чорну діру і засмоктує пульсар».

Деяка темна матерія також може поєднувати матерію і антиматерію в частці. Такі частинки знищують один одного при контакті. Учені вважають, що тільки асиметричні частинки темної матерії (що містять тільки матерію або антиматерію) можуть накопичуватися в ядрі пульсара з плином часу. Оскільки в галактичних ядрах присутня велика концентрація темної матерії, це може пояснити, чому пульсарів бракує у центрі нашого Молочного Шляху.

Всесвіт могла народитися з чотиривимірний чорної діри

Одна з великих проблем, пов’язаних з теорією Великого Вибуху, полягає в тому, що наша науково передбачувана Всесвіт сталася сингулярності, нескінченно щільною точки, для якої ці правила наукової передбачуваності не працюють. Фізики просто не розуміють сингулярності. Вони не можуть пояснити і що викликало Великий Вибух. Деякі фізики взагалі вважають малоймовірним, що таке хаотичне початок справить Всесвіту з відносно однорідною температурою.

Три вчених з Інституту Периметра запропонували нову теорію, яка математично обґрунтована і цілком проверяема. Вони стверджують, що наш Всесвіт стала результатом жорстоко викинутого матеріалу в процесі смерті чотиривимірний зірки, внутрішні шари якої коллапсировали в чорну діру. У нашій всесвіту тривимірна чорна діра має двомірним горизонтом подій, точкою неповернення для всього, що потрапляє в межі чорної діри.

У Всесвіті з чотирма просторовими вимірами чотиривимірна чорна діра мала б тривимірним горизонтом подій. Наша всесвіт, викинутий матеріал наднової, утворила б тривимірну мембрану навколо тривимірного горизонту подій. Ця мембрана зростає, ми називаємо це зростання космічним розширенням. Наша тривимірна всесвіт мала успадкувати однорідність батьківського всесвіту чотиривимірний, якщо остання існувала тривалий час. Якщо ми вважаємо цю теорію абсурдною, вчені відповідають, запевняючи нас у тому, що ми просто не розуміємо чотиривимірну всесвіт. Можливо, наш тримірний мислення являє собою лише верхівку айсберга реальності.

10 сюрпризов, которые нам преподнесли черные дыры


   
Аномальные новости планеты

Загрузка...
Актуальные комментарии и обсуждения новостей