В центре огромной галактики обнаружена самая большая черная дыра

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.

Как рождаются чёрные дыры?

Чёрные дыры возникают из огромных звёзд, известных как красные гиганты. Они в разы тяжелее нашего Солнца, но полностью выгорают всего за небольшой отрезок их жизни. Гравитационная сила такой звезды заставляет температуру подниматься выше миллиарда градусов. Гелий и углерод переплавляются в более тяжёлые элементы, а затем звезда сжимается и взрывается под тяжестью своей огромной гравитации, распространяя вокруг себя ударную волну.

Происходит взрыв со вспышкой сверхновой звезды. На её месте остаётся плотное ядро из субатомных частиц — нейтронная звезда либо чёрная дыра, диаметром всего несколько километров. Но его плотность настолько огромна, что чайная ложка, сделанная из такого материала, будет весить около миллиарда тонн. Гравитационное притяжение вырастет до таких пределов, что уже ничто не сможет вырваться оттуда.

Как получилось, что в центре крупных галактик встречаются чёрные дыры?

Из множества миллиардов галактик, составляющих наблюдаемую Вселенную, более миллиона уже были проанализированы. В центрах многих крупных галактик присутствуют чёрные дыры. Как так вышло? Чтобы понять это, нужно вернуться к самому началу — к Большому взрыву. Материя и энергия вырываются наружу и Вселенная начинает расширяться. Именно Большой взрыв даёт нам все компоненты для рождения: водород, гелий и другие элементы.

В течение десятков миллионов лет облака водорода сливались, становясь всё плотнее. Некоторые становятся такими горячими, что воспламеняются. Рождаются первые звёзды — гиганты, размером в сотни раз превышающие наше Солнце. Они быстро выгорают и взрываются, образуя вспышку сверхновой. Более крупные галактики поглощают более малые галактики, и если одна галактика съедает другую, в центре которой была чёрная дыра, значит она съедает и эту чёрную дыру. Она перемещается в центр новой галактики, делая её больше.

Бинарные чёрные дыры

В 2015 году астрономы с помощью лазерного интерферометра гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) обнаружили гравитационные волны от слияния звездных черных дыр.

«У нас есть еще одно подтверждение существования черных дыр звездной массы, которые больше, чем 20 солнечных масс — это объекты, о существовании которых мы не знали до того, как LIGO обнаружило их», — сказал Дэвид Шумейкер, представитель LIGO Scientific Collaboration (LSC). Наблюдения ЛИГО также дают представление о том, в каком направлении вращается черная дыра. Поскольку две черные дыры вращаются по спирали вокруг друг друга, они могут вращаться в одном и том же направлении или в противоположном направлении.

Существует две теории о том, как формируются бинарные черные дыры: 

1. Первая предполагает, что две черные дыры в двоичной форме возникли примерно в одно и то же время, из двух звезд, которые родились вместе и умерли (взорвались) примерно в одно и то же время. Звезды-компаньоны имели бы такую же ориентацию спина, как и друг у друга, поэтому две черные дыры, также будут иметь такую же ориентацию.
2. Согласно второй модели, черные дыры в звездном скоплении опускаются к центру скопления и образуют пару. Эти компаньоны будут иметь случайные спиновые ориентации по сравнению друг с другом. Наблюдения ЛИГО за черными дырами-компаньонами с различной ориентацией спинов дают более веские доказательства этой теории образования.

«Мы начинаем собирать реальную статистику по бинарным системам черных дыр», — сказал ученый LIGO Кейта Кавабе из Caltech, который базируется в обсерватории LIGO Hanford. «Это интересно, потому что некоторые модели бинарного образования черных дыр несколько предпочтительнее других даже сейчас, и в будущем мы можем еще больше сузить этот вопрос.»

Первое предположение о существовании чёрных дыр сделал Джон Митчелл

Большинство полагает, что открытие существования чёрных дыр — заслуга Альберта Эйнштейна.

Однако Эйнштейн закончил свою теорию к 1916-му году, а Джон Митчелл обдумывал эту идею ещё в далёком 1783-м. Она не нашла применения потому, что этот английский священник просто не знал, что с ней делать.

Митчелл начал разрабатывать теорию чёрных дыр, когда принял идею Ньютона, согласно которой свет состоит из маленьких материальных частиц, называемых фотонами. Он размышлял о движении этих световых частиц и пришёл к выводу, что оно зависит от гравитационного поля звезды, которую они покидают. Он пытался понять, что произойдёт с этими частицами, если гравитационное поле будет слишком большим, чтобы свет мог его покинуть.

Митчелл также является основателем современной сейсмологии. Он предположил, что землетрясения распространяются в земле подобно волнам.

Что такое чёрная дыра?

Чёрная дыра — это область космоса, гравитационное притяжение которой настолько велико, что даже свет не может покинуть её пределы. В буквальном смысле пространство и время обрушиваются в бездну. Само пространство падает в чёрную дыру подобно водопаду, только в роли воды здесь выступает пространство. Представьте себе человека на байдарке, который пытается подняться вверх по течению реки, но течение оказывается слишком сильным для него. Таким же образом чёрная дыра затягивает в себя пространство. Роль быстрого течения здесь выполняет гравитация. В определённый момент объект, попавший в чёрную дыру, достигает горизонта событий — точки, из которой нет возврата.

Не все чёрные дыры одинаковы

Мы обычно думаем, что всё чёрные дыры по сути одно и то же. Однако астрономы недавно выяснили, что их можно разделить на несколько разновидностей.

Есть вращающиеся чёрные дыры, черные дыры с электрическим зарядом и чёрные дыры, включающие черты первых двух. Обычные чёрные дыры возникают путём поглощения материи, а вращающаяся чёрная дыра образуется путём слияния двух таких дыр.

Эти чёрные дыры расходуют намного больше энергии из-за возросшего возмущения пространства. Заряженная вращающаяся чёрная дыра действует как ускоритель частиц.

Чёрная дыра, названная GRS 1915+105, находится на расстоянии около 35 тысяч световых лет от Земли. Она крутится со скоростью 950 оборотов в секунду.

Что такое радиус Шварцшильда и как он связан с чёрными дырами?

В математическом смысле всё что угодно может стать чёрной дырой, но при условии, что есть возможность сжать объект до достаточно малых размеров, при этом сохранив его массу. Всё во Вселенной имеет так называемый гравитационный радиус или радиус Шварцшильда. Это радиус сферы, до которого нужно сжать объект, сконцентрировав всю его массу в столь малом объёме, что его плотность станет настолько большой, а его гравитационное поле станет так велико, что даже свет не сможет избежать притяжения этого объекта. Размер чёрной дыры, а точнее — радиус сферы Шварцшильда пропорционален массе звезды. А поскольку астрофизика никаких ограничений на размер звезды не накладывает, то и чёрная дыра может быть сколь угодно велика.

Их плотность невероятно высока

Чёрным дырам необходимо быть чрезмерно массивными при невероятно маленьких размерах, чтобы создавать достаточно большую силу притяжения для сдерживания света. К примеру, если сделать чёрную дыру массой равной массе Земли, то получится шарик с диаметром всего 9 мм.

Чёрная дыра, масса которой в 4 миллиона раз превышает массу Солнца, может уместиться в пространство между Меркурием и Солнцем. Чёрные дыры в центре галактик могут иметь массу, превышающую массу Солнца от 10 до 30 миллионов раз.

Такая большая масса на таком маленьком пространстве означает, что чёрные дыры имеют невероятно большую плотность и силы, действующие внутри них, также очень сильны.

Как выглядят черные дыры

Черные дыры имеют три «слоя»: внешний и внутренний горизонт событий, а также сингулярность.

Горизонт Событий черной дыры — это граница вокруг устья черной дыры, за которую не может проникнуть свет. Как только частица пересекает горизонт событий, она не может вырваться обратно. Гравитация постоянна по всему горизонту событий.

Внутренняя область черной дыры, где находится масса объекта, известна как его сингулярность, — это точка в пространстве и времени, где сосредоточена масса черной дыры.

Ученые не могут видеть черные дыры так, как они могут видеть звезды и другие объекты в космосе. Вместо этого астрономы должны полагаться на обнаружение излучения, которое испускают черные дыры, когда пыль и газ втягиваются внутрь. Но сверхмассивные черные дыры, лежащие в центре галактики, могут быть окутаны густой пылью и газом вокруг них, что может блокировать излучение.

Иногда, когда материя притягивается к черной дыре, она рикошетит от горизонта событий и выбрасывается наружу, вместо того чтобы быть втянутой внутрь. Создаются яркие струи, движущиеся с почти релятивистскими скоростями. Хотя черная дыра остается невидимой, эти мощные струи можно наблюдать с больших расстояний.

Изображение черной дыры на телескопе Event Horizon в M87 (выпущенном в 2019 году) было экстраординарным усилием, потребовавшим двух лет исследований даже после того, как снимки были сделаны. Это происходит потому, что совместная работа телескопов, которая охватывает многие обсерватории по всему миру, производит поразительное количество данных, которые слишком велики для передачи через интернет.

Со временем исследователи ожидают получить изображение других черных дыр и построить хранилище того, как выглядят эти объекты. Следующая цель, вероятно, Стрелец А*, который является черной дырой в центре нашей собственной галактики Млечный Путь. Стрелец A* интригует, потому что он тише, чем ожидалось, что может быть связано с магнитными полями, подавляющими его активность. Другое исследование показало, что Стрельца А* окружает холодное газовое гало, что дает беспрецедентное понимание того, как выглядит окружающая среда вокруг черной дыры.

Они ограничивают количество звёзд

Однажды известный астрофизик, Карл Саган, сказал: во Вселенной больше звёзд, чем песчинок на пляжах всего мира. Но похоже, что во Вселенной всего 1022 звезды.

Это число определяется количеством чёрных дыр. Потоки частиц, выпускаемые чёрными дырами, расширяются до пузырей, которые распространяются сквозь области формирования звёзд. Области формирования звёзд — это участки газовых облаков, которые могут охлаждаться и образовывать звёзды. Потоки частиц нагревают эти газовые облака и предотвращают появление звёзд.

Это означает, что существует сбалансированное соотношение между количеством звёзд и активностью чёрных дыр. Очень большое количество звёзд расположенных в галактике сделает её слишком горячей и взрывоопасной для развития жизни, однако слишком маленькое количество звёзд также не способствует возникновению жизни.

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.