Как узнать средний вес черной дыры. Размеры и масса черных дыр — видео визуализация

Черные дыры во Вселенной

Черная дыра - космический объект, который образуется при неограниченном гравитационном сжатии (гравитационном коллапсе) массивных космических тел. Существование этих объектов предсказывает общая теория относительности. Сам термин "черная дыра" введен в науку американским физиком Джоном Уилером в 1968 г. для обозначения сколлапсировавшей звезды.

Черная дыра - область в пространстве, возникшая в результате полного гравитационного коллапса вещества, в которой гравитационное притяжение так велико, что ни вещество, ни свет, ни другие носители информации не могут ее покинуть. Поэтому внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной; происходящие внутри черной дыры физические процессы не могут влиять на процессы вне ее. Черная дыра окружена поверхностью со свойством однонаправленной мембраны: вещество и излучение свободно падает сквозь нее в черную дыру, но оттуда ничто не может выйти. Эту поверхность называют «горизонтом событий». Поскольку до сих пор имеются лишь косвенные указания на существование черных дыр на расстояниях в тысячи световых лет от Земли, наше дальнейшее изложение основывается главным образом на теоретических результатах.

Астрономы пришли к заключению, что черные дыры не рождаются огромными, а постепенно растут за счет газа и звезд галактик. Данные показывают, что гигантские черные дыры не предшествовали рождению галактик, а эволюционировали вместе с ними, поглощая определенный процент массы звезд и газа центральной области галактики. Это означает, что в меньших галактиках черные дыры менее массивны, их массы составляют не многим более нескольких миллионов солнечных масс. Черные дыры в центрах гигантских галактик, включают в себя миллиарды солнечных масс. Все дело в том, что окончательная масса черной дыры формируется в процессе формирования галактики. В некоторых случаях черные дыры увеличиваются не только за счет поглощения газа отдельной галактики, но и путем слияния галактик, в результате чего их черные дыры объединяются.

Образование черных дыр

Черные дыры образуются в результате коллапса гигантских нейтронных звезд массой более 3 масс Солнца. При сжатии их гравитационное поле уплотняется все сильнее и сильнее. Наконец звезда сжимается до такой степени, что свет уже не может преодолеть ее притяжения. Радиус, до которого должна сжаться звезда, чтобы превратиться в черную дыру, называется гравитационным радиусом. Для массивных звезд он составляет несколько десятков километров. Поскольку черные дыры не светят, то единственный путь судить о них - это наблюдать воздействие их гравитационного поля на другие тела. Имеются косвенные доказательства существования черных дыр более чем в 10 тесных двойных рентгеновских звездах. В пользу этого говорят, во-первых, отсутствие известных проявлений твердой поверхности, характерных для рентгеновского пульсара или рентгеновского барстера, и, во-вторых, большая масса невидимого компонента двойной системы (больше 3 масс Солнца). Один из наиболее вероятных кандидатов в черные дыры - это ярчайший источник рентгеновских лучей в созвездии Лебедя - Лебедь Х-1.

По современным представлениям, есть четыре сценария образования чёрной дыры:

1. Гравитационный коллапс (катастрофическое сжатие) достаточно массивной звезды (более чем 3,6 масс Солнца) на конечном этапе её эволюции.

2. Коллапс центральной части галактики или прагалактического газа. Современные представления помещают огромную чёрную дыру в центр многих, если не всех, спиральных и эллиптических галактик. Например в центре нашей 3. 3. 3. Галактики находится чёрная дыра Стрелец A* массой 4,31х10 6 М, вокруг которой вращается меньшая чёрная дыра.

4. Формирование чёрных дыр в момент Большого Взрыва в результате флуктуаций гравитационного поля и/или материи. Такие чёрные дыры называются первичными.

Эволюция черных дыр

Ученые имеют веские доказательства существования двух различных классов черных дыр: первые - это черные дыры со звездными массами примерно в 10 раз больше Солнца, вторые - сверхмассивные черные дыры, которые располагаются в центре галактик и имеют массу от сотен тысяч до миллиардов масс Солнца. Но продолжает оставаться загадкой, как образуются и существуют черные дыры средней массы? Речь идет о так называемых черных дырах с промежуточными массами в диапазоне между 100 и 10 000 масс Солнца.

Доказательства происхождения этих объектов остается спорным. До сих пор не было обнаружено более чем одной такой черной дыры в одной галактике. Но группа исследователей нашла в результате изучения рентгеновских данных две средние по массе черные дыры в галактике M82, которая находится на расстоянии около 12 миллионов световых лет от Земли.

По особенностям излучения, испускаемого черными дырами в M82, исследователи заключили, что масса одной из черных дыр колеблется в пределах от 12 до 43 тысяч солнечных масс, а масса второй - от 200 до 800 масс Солнца. Первый объект находится на расстоянии 290 световых лет от центра галактики M82. Второй объект, расположен на расстоянии 600 световых лет в проекции от центра галактики.

"Впервые были обнаружены две средние по массе черные дыры в одной галактике, - поделился один из исследователей Хуа Фэн из Университета Цинхуа, Китай. - Их расположение вблизи центра галактики может содержать сведения о происхождении крупнейших черных дыр во Вселенной, таких как сверхмассивные черные дыры, которые найдены в центрах большинства галактик".

Одним из возможных механизмов для формирования сверхмассивных черных дыр является цепная реакция столкновения звезд и компактных звездных скоплений, что приводит к накоплению очень массивных объектов, которые затем формируются в черные дыры промежуточной массы. Далее промежуточные черные дыры притягиваются к центру галактики и сливаются со сверхмассивной черной дырой в центре галактики.

"Мы не можем сказать точно, является ли подобный процесс формирования черных дыр в M82 подтверждением этой теории, но мы точно знаем, что обе эти средние черные дыры расположены вблизи звездных скоплений, - сказал Фил Карет из Университета штата Айова, один из авторов статьи. - Кроме того, M82 является ближайшей к нам галактикой, где условия аналогичны тем, которые были в ранней Вселенной, с наличием большого количества звезд".

До сих пор астрономы точно не знали, могут ли присутствовать в одной галактике сразу две черные дыры средней массы. Возможно, открытие прольет свет на процессы образования и эволюции сверхмассивных черных дыр в галактиках.

Разновидности черных дыр

Чёрные дыры звёздных масс. Чёрные дыры звёздных масс образуются как конечный этап жизни звезды, после полного выгорания термоядерного топлива и прекращения реакции звезда теоретически должна начать остывать, что приведёт к уменьшению внутреннего давления и сжатию звезды под действием гравитации. Сжатие может остановиться на определённом этапе, а может перейти в стремительный гравитационный коллапс. В зависимости от массы звезды и вращательного момента возможны следующие конечные состояния:

Погасшая очень плотная звезда, состоящая в основном, в зависимости от массы, изгелия, углерода, кислорода, неона, магния, кремния или железа (основные элементы перечислены в порядке возрастания массы остатка звезды). Такие остатки называют белыми карликами, масса их ограничивается сверху пределом Чандрасекара.

Нейтронная звезда, масса которой ограничена пределом Оппенгеймера - Волкова.

Чёрная дыра.

По мере увеличения массы остатка звезды происходит движение равновесной конфигурации вниз по изложенной последовательности. Вращательный момент увеличивает предельные массы на каждой ступени, но не качественно, а количественно (максимум в 2-3 раза).

Условия (главным образом, масса), при которых конечным состоянием эволюции звезды является чёрная дыра, изучены недостаточно хорошо, так как для этого необходимо знать поведение и состояния вещества при чрезвычайно высоких плотностях, недоступных экспериментальному изучению. Дополнительные сложности представляет моделирование звёзд на поздних этапах их эволюции из-за сложности возникающего химического состава и резкого уменьшения характерного времени протекания процессов. Достаточно упомянуть, что одни из крупнейших космических катастроф, вспышки сверхновых, возникают именно на этих этапах эволюции звёзд. Различные модели дают нижнюю оценку массы чёрной дыры, получающейся в результате гравитационного коллапса, от 2,5 до 5,6 масс Солнца. Радиус чёрной дыры при этом очень мал - несколько десятков километров.

Впоследствии чёрная дыра может разрастись за счёт поглощения вещества - как правило, это газ соседней звезды в двойных звёздных системах (столкновение чёрной дыры с любым другим астрономическим объектом очень маловероятно из-за её малого диаметра). Процесс падения газа на любой компактный астрофизический объект, в том числе и на чёрную дыру, называется аккрецией. При этом из-за вращения газа формируется аккреционный диск, в котором вещество разгоняется до релятивистских скоростей, нагревается и в результате сильно излучает, в том числе и в рентгеновском диапазоне, что даёт принципиальную возможность обнаруживать такие аккреционные диски (и, следовательно, чёрные дыры) при помощи ультрафиолетовых ирентгеновских телескопов. Основной проблемой является малая величина и трудность регистрации отличий аккреционных дисков нейтронных звёзд и чёрных дыр, что приводит к неуверенности в идентификации астрономических объектов с чёрными дырами. Основное отличие состоит в том, что газ, падающий на все объекты, рано или поздно встречает твёрдую поверхность, что приводит к интенсивному излучению при торможении, но облако газа, падающее на чёрную дыру, из-за неограниченно растущего гравитационного замедления времени (красного смещения) просто быстро меркнет при приближении к горизонту событий, что наблюдалось телескопом Хаббла в случае источника Лебедь X-1.

Столкновение чёрных дыр с другими звёздами, а также столкновение нейтронных звёзд, вызывающее образование чёрной дыры, приводит к мощнейшему гравитационному излучению, которое, как ожидается, можно будет обнаруживать в ближайшие годы при помощи гравитационных телескопов. В настоящее время есть сообщения о наблюдении столкновений в рентгеновском диапазоне. 25 августа 2011 года появилось сообщение о том, что впервые в истории науки группа японских и американских специалистов смогла в марте 2011 года зафиксировать момент гибели звезды, которую поглощает чёрная дыра

Сверхмассивные чёрные дыры. Разросшиеся очень массивные чёрные дыры, по современным представлениям, образуют ядра большинства галактик. В их число входит и массивная чёрная дыра в ядре нашей галактики - Стрелец A

В настоящее время существование чёрных дыр звёздных и галактических масштабов считается большинством ученых надёжно доказанным астрономическими наблюдениями

Американские астрономы установили, что массы сверхмассивных чёрных дыр могут быть значительно недооценены. Исследователи установили, что для того, чтобы звёзды двигались в галактике М87 (которая расположена на расстоянии 50 миллионов световых лет от Земли) так, как это наблюдается сейчас, масса центральной чёрной дыры должна быть как минимум 6,4 миллиарда солнечных масс, то есть в два раза больше нынешних оценок ядра М87, которые составляют 3 млрд. солнечных масс.

Для чёрной дыры в ядре галактики гравитационный радиус равен 3 10 15 см = 200 а. е., что в пять раз больше расстояния от Солнца до Плутона. Критическая плотность при этом равна 0,2 10 -3 г/см³, что в несколько раз меньше плотности воздуха.

Первичные чёрные дыры в настоящее время носят статус гипотезы. Если в начальные моменты жизни Вселенной существовали достаточной величины отклонения от однородности гравитационного поля и плотности материи, то из них путём коллапса могли образовываться чёрные дыры. При этом их масса не ограничена снизу, как при звёздном коллапсе - их масса, вероятно, могла бы быть достаточно малой. Обнаружение первичных чёрных дыр представляет особенный интерес в связи с возможностями изучения явления испарения чёрных дыр.

Квантовые чёрные дыры. Предполагается, что в результате ядерных реакций могут возникать устойчивые микроскопические чёрные дыры, так называемые квантовые чёрные дыры. Для математического описания таких объектов необходима квантовая теория гравитации. Однако из общих соображений весьма вероятно, что спектр масс чёрных дыр дискретен и существует минимальная чёрная дыра - планковская чёрная дыра. Её масса - порядка 10 −5 г, радиус - 10 −35 м. Комптоновская длина волны планковской чёрной дыры по порядку величины равна её гравитационному радиусу.

Даже если квантовые чёрные дыры существуют, время их существования крайне мало, что делает их непосредственное обнаружение очень проблематичным.

В последнее время предложены эксперименты с целью обнаружения свидетельств появления чёрных дыр в ядерных реакциях. Однако для непосредственного синтеза чёрной дыры в ускорителе необходима недостижимая на сегодня энергия 10 26 эВ. По-видимому, в реакциях сверхвысоких энергий могут возникать виртуальные промежуточные чёрные дыры.

Эксперименты по протон-протонным столкновениям с полной энергией 7 ТэВ на Большом адронном коллайдере показали, что этой энергии недостаточно для образования микроскопических чёрных дыр. На основании этих данных делается вывод, что микроскопические чёрные дыры должны быть тяжелее 3,5–4,5 ТэВ в зависимости от конкретной реализации.

Черная дыра – это астрономическая область в пространстве и времени, внутри которой гравитационное притяжение стремится к бесконечности. Чтобы покинуть черную дыру, объекты должны достичь скорости, намного превышающей скорость света. А так как это невозможно, то даже кванты самого света не излучаются из области черной дыры. Из всего этого следует, что область черной дыры абсолютно невидима для наблюдателя независимо от того, насколько удаленно от него она находится. Поэтому обнаружить и определить размеры и массу черных дыр можно только анализируя обстановку и поведение объектов, находящихся рядом с ними.

На 20 симпозиуме по релятивистской астрофизике в Техасе, прошедшем в 2001 года, астрономы Карл Гебхардт и Джон Корменди метод практических измерений масс близлежащих черных дыр, дающие астрономам возможность получения информации о росте черных дыр. С помощью этого метода было и 19 новых черных дыр в дополнение к уже известным в то время 19. Все они являются сверхмассивными и имеют вес от одного до миллиарда солнечных масс. Располагаются они в центрах галактик.

Метод измерений масс основан на наблюдении за перемещением звезд и газа около центров их галактик. Такие измерения могут проводиться только при высоком пространственном разрешении, которое могут обеспечивать космические телескопы типа Hubble или NuSTAR. Суть метода заключается в анализе изменчивости квазаров и обращения огромных газовых вокруг дыры. Яркость излучения вращающихся газовых облаков напрямую зависит от энергии рентгеновского излучения черной дыры. Так как свет имеет строго определенную скорость, изменения яркости газовых облаков для наблюдателя видны позже, чем изменение яркости центрального источника излучения. По разнице во времени вычисляется расстояние от облаков газа до центра черной дыры. Вместе со скоростью вращения газовых облаков вычисляется и масса черной дыры. Однако данный способ включает неопределенность, так как не существует способа проверить правильность конечного результата. С другой стороны, данные, получаемые этим методом, соответствуют зависимости между массами черных дыр и массами галактик.

Классический способ измерения массы черной дыры, предложенный современником Эйнштейна Шварцшильдом, описывается формулой M=r*c^2/2G, где r – гравитационный радиус черной дыры, с – скорость света, G – гравитационная постоянная. Однако эта точно описывает массу изолированной, невращающейся, незаряженной и не испаряющейся черной дыры.

Совсем новый способ определения масс черных дыр, давший возможность открывать и изучать черные дыры «среднего ». Он основан на радиоинтерференционном анализе джетов – выбросов материи, образующихся во время поглощения черной дырой массы из окружающего ее диска. Скорость джетов может быть выше половины скорости света. А так как разогнанная до таких скоростей масса излучает рентгеновское излучение, она может быть зарегистрирована радиоинтерферометром. Метод математического моделирования таких джетов позволяет получить более точные значения средних масс черных дыр.

Американские и австралийские астрофизики обнаружили кандидата в черные дыры средней массы. Такое название они получили потому, что тяжелее обычных - то есть формирующихся в результате гравитационного коллапса звезд - объектов, но легче сверхмассивных черных дыр, как правило расположенных в активных ядрах крупных галактик. Происхождение необычных объектов до сих пор остается неясным. Ниже мы рассказыжем о черных дырах промежуточных масс и об открытии ученых.

Большинство известных ученым черных дыр - то есть объектов, покинуть пределы которых не способна (в пренебрежение квантовыми эффектами) никакая материя, - являются либо черными дырами звездной массы, либо сверхмассивными черными дырами.

Происхождение этих гравитационных объектов астрономам примерно ясно. Первые, как ясно из их названия, представляют собой конечный этап эволюции тяжелых светил, когда в их недрах прекращаются термоядерные реакции. Они настолько тяжелы, что не превращаются ни в белых карликов, ни в нейтронные звезды.

Небольшие звезды, подобные Солнцу, превращаются в белых карликов. У них сила гравитационного сжатия уравновешивается электромагнитным отталкиванием электронно-ядерной плазмы. У более тяжелых звезд гравитация сдерживается давлением ядерной материи, в результате чего возникают нейтронные звезды. Сердцевина таких объектов сформирована нейтронной жидкостью, которую покрывает тонкий плазменный слой электронов и тяжелых ядер. Наконец, самые тяжелые светила превращаются в черные дыры, что прекрасно описывается общей теорией относительности и статистической физикой.

Предельное значение массы белого карлика, не дающее ему превратиться в нейтронную звезду, в 1932 году оценил индийский астрофизик Субраманьян Чандрасекар. Этот параметр вычисляется из условия равновесия вырожденного электронного газа и сил гравитации. Современное значение предела Чандрасекара оценивается примерно в 1,4 солнечной массы. Верхнее ограничение на массу нейтронной звезды, при которой она не превращается в черную дыру, получило название предела Оппенгеймера-Волкова. Оно определяется из условия равновесия давления вырожденного нейтронного газа и сил гравитации. В 1939 году ученые получили его значение в 0,7 солнечной массы, современные его оценки варьируются от 1,5 до 3,0.

Самые массивные звезды в 200-300 раз тяжелее Солнца. Как правило, масса черной дыры, произошедшей из звезды, не превышает этот порядок. На другом конце шкалы находятся сверхмассивные черные дыры - они тяжелее Солнца в сотни тысяч или даже десятки миллиардов раз. Обычно такие монстры расположены в активных центрах крупных галактик и оказывают определяющее на них влияние. Несмотря на то что происхождение сверхмассивных черных дыр также вызывает много вопросов, к настоящему времени обнаружено достаточно много таких объектов (более строго - кандидатов в них), чтобы не сомневаться в их существовании.

Например, в центре Млечного Пути, на расстоянии 7,86 килопарсека от Земли, находится самый тяжелый объект в Галактике - сверхмассивная черная дыра Стрелец A*, которая более чем в четыре миллиона раз тяжелее Солнца. В соседней крупной звездной системе - Туманности Андромеды -находится еще более тяжелый объект: сверхмассивная черная дыра, которая, вероятно, в 140 миллионов раз тяжелее Солнца. По оценкам астрономов, примерно через четыре миллиарда лет сверхмассивная черная дыра из Туманности Андромеды поглотит таковую из Млечного Пути.

Данный механизм указывает на наиболее вероятный способ формирования гигантских черных дыр - они просто поглощают всю окружающую их материю. Однако остается вопрос: существуют ли в природе черные дыры промежуточных масс - между звездными и сверхтяжелыми? Наблюдения последних лет, в том числе и опубликованное в недавнем выпуске журнала Nature, подтверждают это. В публикации авторы сообщили об обнаружении в центре шарового звездного скопления 47 Тукана (NGC 104) вероятного кандидата в черные дыры средней массы. Как показывают оценки, она тяжелее Солнца примерно в 2,2 тысячи раз.

Скопление 47 Тукана расположено на расстоянии 13 тысяч световых лет от Земли в созвездии Тукан. Эту совокупность гравитационно связанных светил отличает большой возраст (12 миллиардов лет) и крайне высокая среди подобных объектов яркость (уступает лишь Омеги Центавра). NGC 104 содержит тысячи звезд, ограниченных условной сферой диаметром 120 световых лет (это на три порядка меньше диаметра диска Млечного Пути). Также в 47 Тукана присутствует около двадцати пульсаров - именно они и стали главным объектом исследования ученых.

Прежние поиски в центре NGC 104 черной дыры не увенчались успехом. Такие объекты обнаруживают себя косвенным путем, по характерному рентгеновскому излучению, исходящему от аккреционного диска вокруг них, сформированного разогретым газом. Между тем, центр NGC 104 почти не содержит газа. С другой стороны, черную дыру можно обнаружить по оказываемому ею влиянию на вращающиеся в ее окрестностях звезды - примерно так удается исследовать Стрелец A*. Однако и тут ученых подстерегала проблема - центр NGC 104 содержит слишком много звезд, чтобы можно было разобраться в их отдельных перемещениях.

Ученые попробовали обойти обе трудности, одновременно с этим не отказавшись от привычных методов обнаружения черных дыр. Сперва астрономы проанализировали динамику светил всего шарового скопления в целом, а не только тех звезд, которые близки к его центру. Для этого авторы взяли данные о динамике светил 47 Тукана, собранные в ходе наблюдений австралийской радиобсерваторией Паркса. Полученную информацию ученые использовали для компьютерного моделирования в рамках гравитационной задачи N тел. Оно показало, что в центре NGC 104 есть нечто, по своим характеристикам напоминающее черную дыру средней массы. Однако этого было недостаточно.

Проверить свои выводы исследователи решили на пульсарах - компактных остатках мертвых звезд, радиосигналы которых астрономы научились достаточно хорошо отслеживать. Если в NGC 104 есть черная дыра средней массы, то пульсары не могут быть расположены слишком близко к центру 47 Тукана - и наоборот. Как и ожидали авторы, подтвердился первый сценарий: расположение пульсаров в NGC 104 хорошо соотносится с тем, что в центре скопления есть черная дыра средней массы.

Авторы полагают, что подобного рода гравитационные объекты могут находиться и в центрах других шаровых скоплений - вероятно, там, где их уже или еще не ищут. Для этого потребуется тщательное рассмотрение каждого из таких скоплений. Какую роль играют черные дыры промежуточных масс и как они возникли? Пока это неизвестно наверняка. Несмотря на множество вариантов их дальнейшей эволюции, соавтор исследования Бюлент Кизилтан полагает, что «они могут быть изначальными семенами, выросшими в монстров, которые мы сегодня видим в центрах галактик».

Черные дыры средней массы в ядрах галактик

Черная дыра средней массы весит примерно как десять тысяч Солнц. Это в десять тысяч раз меньше, чем масса Гаргантюа, но в тысячу раз больше, чем вес обычных черных дыр, – как раз то, что нужно Куперу для маневров.

Считается, что порой дыры средней массы возникают в центре плотных скоплений звезд, которые называют шаровыми звездными скоплениями. И некоторые из них с немалой долей вероятности попадают в ядра галактик, туда, где располагаются гигантские черные дыры.

Возьмем для примера галактику Андромеды, ближайшую к нашей крупную галактику (рис. 7.4), в ядре которой скрывается черная дыра размером с Гаргантюа, массой в 100 миллионов Солнц. К таким гигантским черным дырам стягивается огромное количество звезд – до тысячи звезд на кубический световой год. Когда дыра средней массы проходит через столь насыщенную область, она силой своей гравитации смещает звезды, оставляя за собой след повышенной звездной плотности. Данный след, в свою очередь, притягивает дыру средней массы, замедляя ее движение; этот процесс называется динамическим трением. По мере того как дыра средней массы замедляется, ее затягивает ближе к гигантской черной дыре. Таким образом, природа (в Кип-версии) может «снабдить» Купера черной дырой средней массы, необходимой для его гравитационных маневров.

Рис. 7.4. Слева: галактика Андромеды, в ядре которой скрывается черная дыра размером с Гаргантюа. Справа: динамическое трение, благодаря которому дыра средней массы постепенно замедляется и притягивается все ближе к гигантской черной дыре