Содержание
Откуда они вообще берутся?
Мы уже писали о том как образуются черные дыры (1 из вариантов) – это возможная, следующая фаза эволюции звезды. Это было предсказано общей теорией относительности Эйнштейна, которая говорит о том что когда умирает массивная звезда, от нее остается относительно небольшое и плотное ядро. Как показывает уравнение – если масса ядра более чем в 3 раза превышает массу солнца, то сила гравитации подавляет все остальные силы и создает черную дыру, вследствие критического сжатия материи.
как образуются черные дыры
Более того, во время коллапса происходит очень странная вещь, о чем описано на официальном сайте НАСА… По теории, звезда должна разрушиться вследствие сверхмощного сжатия, однако, так как ее поверхность приближается к аномальной зоне, именуемой «горизонтом событий» время замедляется, относительно времени внешнего наблюдателя, а когда звезда достигает горизонта событий, то оно вовсе останавливается и звезда уже не может разрушиться, получается замороженный коллапсирующий объект.
Кроме того, есть вероятность существования так называемых первичных черных дыр, которые были образованы во время зарождения вселенной. Гипотетически, если допустить что на начальной стадии развития вселенной были отклонения в неоднородности гравитационного поля и плотности материи, то путем гравитационного коллапса могли образовываться черные дыры. До сих пор такие объекты не были обнаружены, хотя и представляют ценность для изучения эффекта «испарения черных дыр» Стивена Хокинга.
Стивен Хокинг
В результате звездных столкновений, когда сталкиваются нейтронные звезды и черные дыры, возникает еще одна черная дыра. Такие выводы были сделаны учеными после анализа информации (мощные гамма-всплески), которая была зафиксирована телескопами Свифт и Хаббл.
Судя по количеству звезд, достаточно больших для образования черных дыр, ученые считают, что в одном только Млечном Пути насчитывается от десяти миллионов, до миллиардов черных дыр.
Еще одним из возможных механизмов образования сверхмассивных черных дыр является цепная реакция столкновений звезд в компактных звездных скоплениях, которая приводит к образованию чрезвычайно массивных звезд, которые затем разрушаются, образуя черные дыры средней массы. Звездные скопления затем опускаются в центр галактики, где черные дыры промежуточной массы сливаются, образуя сверхмассивную черную дыру.
Сверхчувствительность антенн Event Horizon Telescope
Здесь важно уяснить, что в рамках такого гигантского удаления исследуемых объектов от Земли соответствует крайне малой мощности их радиоисточников. Если рассмотреть сигнал в рамках радиодиапазона от 0 до 1000ГГц, то суммарная мощность излучения Стрелец A составляет примерно 2 × 10^28 Вт
Но если выделить на Земле лишь только радиодиапазон для Event Horizon Telescope, то спектральная плотность мощности излучения падает до ничтожно малых — 3 Янских, что в сравнении с обычным телевизионным сигналом составляет на 10 порядков ниже.
Обычная антенна Event Horizon Telescope (EHT) имеет диапазон приема 8 ГГц при ее диаметре в 10 м. Грубый расчет показывает, что при величине мощности EHT антенн в 10^-16 Вт, принимаемый их сигнал слабее обычного телевизионного в миллард раз!
Были ли получены до настоящего времени какие-либо изображения? Да, в 1979 году астрофизик Жан-Пьер Люмине получил изображение на основании математических расчетов.
Полученные расчеты были «скормлены» компьютеру IBM 7040, в результате чего на картинке можно было увидеть смоделированное представление очертания черной дыры.
Нынешнее же изображение получено астрономами (астрономами) в результате совместной работы двух проектов GMVA и EHT, объединяющие в себя многолчисленные телескопы, расположенные на таких континентах как: Южная Америка, Северная Америка, Антарктида, Европа, Гавайи. Стоит подчеркнуть, что изображение носит уже не математически смоделированное фото, а визуальное отображение оптических систем — телескопов.
Разрешение проблемы угловых разрешений
Побороть проблему углового разрешения удалось при сопряженной работе телескопов следующих двух проектов GMVA и EHT, которые используют технологию интерферометрии, а точнее радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой, при которой приемные элементы, в данном случае телескопы, находятся на межконтинентальных расстояниях друг от друга.
Управление каждым отдельной базой РСДБ интерферометра осуществляется децентрализованно без прокладки коммутационных магистралей связи. На каждом независимо управляемым РСДБ собирается огромный массив данных для последующей корреляционной машинной обработки.
Таким образом сведенные в одну базу обработанные срезы данных в обсерваториях мира позволили получить рекордные разрешения в пределах угловой миллисекунды. Два проекта GMVA и EHT были выбраны из-за необходимости ведения наблюдения на разных волнах.
Что дальше?
Наивно полагать, что весь этот гигантский фронт работы необходим был лишь для получения контуров тени черной дыры на фоне красивых излучений. Исследуемый массив данных поможет глубже изучить процессы, протекающие в аккреционном диске, а также узнать детальнее его структуру
Огромное внимание ученых приковано магнитным полям, создаваемым аккреционным диском, и рождающие в свою очередь турбулентные потоки, тормозящие частицы вблизи черных дыр. И в заключении можно отметить, что подобные исследования уже на экспериментальном уровне могут проверить еще раз на прочность общую теорию относительности Эйнштейна
Что позволило увидеть то, что не обладает по своей природе светом?
Само по себе название «черная дыра» говорит об ее отсутствии в природе спектра видимого света, поэтому вся визуализация была построена на основе излучений, о природе и методах их фиксаций мы попытаемся объяснить далее.
В результате вращательного момента спирали из аккреционного диска на черную дыру попадает перегретое вещество, которое в свою очередь пораждает излучение, которое и фиксируется оптическими земными приборами как свечение.
В черной дыре фигурирует такое понятие, как горизонт событий с гравитационным радиусом, который представляет собой границу области громадного гравитационного притяжения, покинуть которую не могут даже объекты, летящие со скоростью света, включая и сами кванты света.
Так вот, внутри возникающего свечения можно наблюдать черную область, которое несколько шире, чем горизонт событий — это и есть визуальное представление отражения или тени черной дыры. Данная визуализация может изменяться вследствие эффекта искажения разноориентированного расположения газового диска. Данный эффект ожидаем из-за описанного в теории относительности искривления фотонных траекторий.
Рисунок художника. Прохождение фотонов на границе черной дыры. Гравитационное искажение и захват светового потока горизонтом событий
Однако, очень сильно прикована вниманием орбита вокруг черной дыры, носящая стационарный характер. Если говорить о масштабах орбиты, то в данных случаях подразумевается величины расстояний в несколько гравитационных радиусов, который равен сферически симметричной чёрной дыры, также его называют радиусом Шварцшильда
Соответственно чем больше гравитационный радиус, тем выше масса черной дыры.
Масштабы сверхмассивных черных дыр могут быть сравнимы со всей солнечной системой. Если говорить об удаленности, то расстояния от Земли до большинства черных дых исчисляются миллионами световых лет, наблюдение за которыми невозможно из-за отсутствия так называемого огромного углового разрешения. Но как показал нашумевшее анонсирование фотоматериалов черной дыры в центре галактики M87 в отношении разрешения проблемы углового разрешения был совершен огромный прорыв. Каким же образом это было достигнуто?
Странные факты о черных дырах
- Если вы упадете в черную дыру, теория уже давно предполагает, что гравитация растянет вас, как спагетти, хотя ваша смерть наступит до того, как вы достигнете сингулярности. Но в 2012 году исследование, опубликованное в журнале Nature, предположило, что квантовые эффекты заставят горизонт событий действовать во многом как стена огня, которая мгновенно сожжет вас до смерти.
- Всасывание вызвано втягиванием чего-то в вакуум, которым массивная черная дыра определенно не является. Вместо этого, объекты падают в них точно так же, как они падают на все, что оказывает гравитационное воздействие, например на Землю.
- Первым объектом, который считается черной дырой, является Лебедь X-1 . Cygnus X-1 был предметом дружеского Пари 1974 года между Стивеном Хокингом и коллегой-физиком Кипом Торном, причем Хокинг сделал ставку на то, что источник не был черной дырой. В 1990 году Хокинг признал свое поражение.
- Миниатюрные черные дыры могли образоваться сразу же после Большого Взрыва. Быстро расширяющееся пространство, возможно, сжало некоторые области в крошечные, плотные черные дыры, менее массивные, чем Солнце.
- Если звезда проходит слишком близко к черной дыре, она может быть разорвана на части.
- Астрономы подсчитали, что в Млечном Пути находится от 10 миллионов до 1 миллиарда звездных черных дыр, масса которых примерно в три раза превышает массу Солнца.
- Черные дыры остаются потрясающим кормом для научно-фантастических книг и фильмов.
Типы Чёрных дыр
До сих пор астрономы выделяли три типа черных дыр: звездные черные дыры, сверхмассивные черные дыры и промежуточные черные дыры.
Звездные чёрные дыры
Когда звезда сжигает остатки своего топлива она может сжаться. Для более мелких звезд (которые примерно в три раза превышают массу Солнца) новое ядро станет нейтронной звездой или белым карликом. Но когда большая звезда коллапсирует, она продолжает сжиматься и создает звездную черную дыру .
Черные дыры, образованные коллапсом отдельных звезд, относительно невелики, но имеют очень большую плотность. Один из таких объектов содержит более чем в три раза больше массы Солнца. Это приводит к сумасшедшему количеству гравитационной силы, притягивающей объекты вокруг чёрной дыры. Затем звездные черные дыры поглощают пыль и газ из окружающих их галактик, что позволяет им расти в размерах.
Согласно данным Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, — Млечный Путь содержит несколько сотен миллионов звездных черных дыр.
Сверхмассивные черные дыры
Маленькие черные дыры населяют бесконечную вселенную, но их родственники, — сверхмассивные черные дыры, — доминируют над ними. Эти огромные черные дыры в миллионы или даже миллиарды раз массивнее Солнца, но примерно одинакового размера в диаметре. Считается, что такие черные дыры лежат в центре почти каждой галактики, включая Млечный Путь.
Возникновение:
Ученые не уверены, как возникают такие большие черные дыры. Как только эти гиганты сформировались, они собирают массу из пыли и газа вокруг себя, материала, который в изобилии находится в центре галактик, что позволяет им расти до еще более огромных размеров.
- Сверхмассивные черные дыры могут быть результатом слияния сотен или тысяч крошечных черных дыр.
- Большие газовые облака также могут быть причастны к формированию сверхмассивной дыры, — схлопываясь вместе, они быстро наращивают массу.
- Третий вариант — это коллапс звездного скопления, когда все звезды падают вместе.
- В-четвертых, сверхмассивные черные дыры могут возникать из больших скоплений темной материи. Это вещество, которое мы можем наблюдать через его гравитационное воздействие на другие объекты; однако мы не знаем, из чего состоит темная материя, потому что она не испускает свет и не может быть непосредственно наблюдаема.
Промежуточные черные дыры
Ученые когда-то думали, что черные дыры бывают только малых и больших размеров, но недавние исследования показали возможность существования средних или промежуточных черных дыр (IMBHs). Такие тела могут образовываться, когда звезды в скоплении сталкиваются в цепной реакции. Некоторые из этих промежуточных черных дыр, образующихся в одной и той же области, могут затем в конечном итоге столкнуться в центре галактики и создать сверхмассивную черную дыру.
В 2014 году астрономы обнаружили нечто похожее на черную дыру средней массы в рукаве спиральной галактики.
Астрономы очень усердно искали эти черные дыры среднего размера, — говорится в заявлении соавтора исследования Тима Робертса из Университета Дарема в Великобритании. Были намеки, что они существуют, но IMBHs вели себя как давно потерянный родственник, который не заинтересован в том, чтобы его нашли.
Более новые исследования, начиная с 2018 года, предположили, что эти промежуточные черные дыры могут существовать в центре карликовых галактик (или очень маленьких галактик). Наблюдения 10 таких галактик (пять из которых были ранее неизвестны науке до этого последнего исследования) выявили рентгеновскую активность — обычную для черных дыр — предполагая наличие в них черных дыр с массой от 36 000 до 316 000 солнечных масс. Эта информация поступила от компании Sloan Digital Sky Survey, которая изучает около 1 миллиона галактик.
Объекты наблюдения — их масса и удаленность от Земли
Итак, перед дуэтным проектом GMVA и EHT предстали следующие объекты наблюдения. Первая — сверхмассивная черная дыра, расположенная в галактике M87 и удаленная от нашей планеты на расстояние 50 млн. световых лет. Данная черная дыра признана самой массивной из всех известных человечеству — 6 млрд. солнечных масс. Вторая — сверхмассивная черная дыра, расположенная в центре нашей галактики координата которой связана с радиоисточником Стрелец A (сокр. SGR A). Удаление от планеты Земля составляет 26 тыс. световых лет, а ее сверхмассивность — 4,3 млн. солнечных масс. Объекты наблюдения имеют существенное отличие как в удаленности от Земли, так и в их массах относительно Солнца. Расстояние черной дыры в галактике M87 превышает в 2000 раз черную дыру SGR A.
