В эпоху стремительного развития науки кажется, что ученые знают ответы на все вопросы о Вселенной. А с развитием квантовой физики и прорывными открытиями верится, что космологи и астрофизики познали дзен и поняли смысл нашего мироздания. Но это не так. В ходе непрекращающихся исследований лучшие умы человечества получают новые данные. Пример — черные дыры. Мы не упускаем из виду новости из мира космоса, поэтому решили поделиться с вами самыми последними научными фактами и исследованиями об этих странных и необычных объектах Вселенной.
Что наука знает о черных дырах уже давно?
Многое из того, что мы знаем о черных дырах, скорее всего, почерпнуто из художественных фильмов. Нам известно, что это очень опасные объекты, которые вполне могут поглотить всю нашу планету вместе с нами, и даже всю Галактику. Вот почему ученые, занимающиеся опасными экспериментами с пространством и временем, могут создать маленькую черную дыру, которая начнет расти, поглощая все вокруг себя. Что еще мы знаем об этих космических образованиях?
Первые сведения о странных областях были получены на основе уравнений Эйнштейна, когда он создавал знаменитую теорию относительности. Из его расчетов получалось, что существует что-то, чему пока нет объяснения, но оно обладает настолько огромной гравитационной силой (бесконечной в теории), что притягивает и уничтожает все, включая само пространство.
Более того, стать черной дырой теоретически может любая материя, если только ее можно сжать до размеров гравитационного радиуса (радиуса Шварцшильда). Например, если бы мы сумели сжать наше Солнце до размера небольшого городка, то и оно бы стало черной дырой.
Или планету Земля сжать до размера, допустим, зерна арахиса.
Но настоящие черные дыры совсем других размеров! Одна из них – M82 X-1, считающаяся средней, величиной с планету Марс, но при этом обладает массой 1 тысячи таких звезд, как Солнце.
В созвездии Феникса есть объект побольше – вся наша Солнечная система по сравнению с ней горошина на футбольном поле! Эта черная дыра, причисляемая к сверхмассивным, сжата так, что по своей массе равна 20 миллиардам звезд, равных нашему Солнцу. Причем такими поглотителями всего заполнен весь космос. Считается, что громадные разросшиеся черные дыры – не что иное, как ядра множества окружающих нас галактик.
Что удалось узнать ученым о черных дырах недавно?
Мы стараемся следить за новыми открытиями астрофизиков, космологов и других ученых, поэтому решили поделиться с вами последними новостями из мира космоса и черных дыр. Так что, скорее всего, о фактах, которые мы собрали, вы еще не в курсе. Приготовьтесь расширить свои знания об этих таинственных монстрах космоса.
1. Они не всегда только затягивают и поглощают материю
Несмотря на свое название «черные дыры», эти загадочные объекты противоположны пустоте. Это одни из самых плотных объектов во Вселенной, их массы варьируются от размера звезды до нескольких сотен миллионов звезд. Гравитационные поля у них настолько интенсивны, что даже добравшийся до них свет не может покинуть притяжение и поглощается дырой.
Нам остается только безнадежно гадать, как же реальность проявляет себя за их горизонтом событий. Мы никогда их не увидим, поэтому нет ничего странного в том, что черные монстры захватывают воображение. Они сбивают с толку, волнуют и пугают, они полны тайн, и нам еще предстоит узнать об их физике и о космосе в целом.
Вы можете спросить: «Если свет не в состоянии покинуть черную дыру, то как же мы можем ее снять?» Ведь для нас она остается невидимой, так как поглощает свет.
Важным событием в науке стала новость об открытии, сделанном «Горизонтом событий» – сверхмощной сетью телескопов. Он впервые сфотографировал дыру – или, скорее, ее тень. Вот этот снимок:
Снят был лишь силуэт чудовища, обрамленный светом перегретого вещества, которое притянула к нему гравитация. Оказывается, черные дыры окружены звездным веществом, распыляющимся под действием гравитации дыры и перегревающимся по мере того, как оно приближается к горизонту событий.
Эти чудовищные поглотители материи не только пожирают, но иногда выбрасывают материю, которая уже была совсем близка к исчезновению и забвению. Иногда это обнаруживается спустя годы после того, как астрономы уже смирились и предоставили данный объект своей судьбе, прекратив наблюдение.
Конечно, выброс не выходит за горизонт событий – материя выбрасывается черной дырой прежде, чем она достигнет горизонта событий и исчезнет внутри дыры. Так что правильнее будет сказать, что черная дыра играет со своей «пищей».
2. Парные сверхмассивные черные дыры раскачивают ткань пространства-времени
В 2015 году исследователи впервые обнаружили гравитационные волны – едва заметное растяжение и сжатие пространства-времени, которое вызывает взаимодействие черных дыр и других плотных объектов.
Но в прошлом году несколько научных консорциумов выявили признаки того, что сверхмассивные двойные черные дыры, по всей вероятности, влияют на общий фон гравитационных волн. Оказывается, существует постоянное море гравитационных волн, которые беспрепятственно проходят через всё во Вселенной, в том числе и сквозь нас с вами, прямо в этот самый момент.
Напомним, что гравитационные волны впервые предсказал еще Эйнштейн, описав их в своей общей теории относительности. По словам великого физика, это волны, представляющие собой изменения гравитационного поля, которые движутся со скоростью света.
И действительно, как позднее убедились ученые, гравитационные волны возникают в результате сейсмических взаимодействий самых массивных и небольших объектов Вселенной. Когда черные дыры вращаются по орбите или сталкиваются друг с другом или с другими очень плотными объектами, такими как нейтронные звезды, в результате взаимодействия возникают мощные гравитационные волны, расходящиеся во все стороны бескрайнего космоса.
3. Что такое «спагеттификация» и кто ее придумал?
Когда звезда приближается слишком близко к черной дыре, она попадает в ее сильное гравитационное поле. В конце концов звезда притягивается к черной дыре так близко, что начинает растягиваться и закручиваться в аккреционный диск черной дыры или в скопление перегретой материи, которая ее окружает.
То же самое произойдет и с человеком, если ему «выпадет случай» приблизиться к черной дыре слишком близко. Этот процесс называется спагеттификацией, потому что материя звезды растягивается и сжимается, подобно сваренным макаронам.
Сам термин придуман покойным астрофизиком Стивеном Хокингом, и впервые он его употребил в своей основополагающей работе «Краткая история времени».
4. Мы не знаем, где обитают черные дыры средней массы
Часть из черных дыр – тех, которые сосредоточены в центре галактик, – имеют несуразно громадные размеры. Напротив, другие черные дыры обладают весьма скромными размерами по масштабам некоторых звезд.
Но ученые столкнулись со странностью – им почти не встречаются черные дыры промежуточной массы (масса которых составляет от 100 до 100 тысяч масс нашего Солнца). Как выяснилось, у этих объектов существует значительный «разрыв в массах», из-за чего астрономам и астрофизикам приходится много трудиться и наблюдать в попытке найти этих неуловимых.
Предполагаемое скопление B023-G078, центром которого, как считают астрофизики, является черная дыра средней массы
Изображение: телескоп Хаббла / НАСА
И вот в 2022 году группе астрофизиков, судя по всему, удалось обнаружить черного монстра средней массы. Признаки такого объекта найдены на окраине Галактики Андромеды, примерно в 2,5 миллионах световых лет от нас. Исследователи полагают, что скопление B023-G078, содержащее массу 6,2 миллиона Солнц, на самом деле, представляет собой остатки нескольких небольших галактик, которые слились вместе. И центром этого галактического фарша является черная дыра промежуточной массы.
Ученые надеются, что их исследование получит подтверждение и что будет окончательно доказано, что черные дыры промежуточной массы реально существуют. В теории же они должны существовать, раз во Вселенной встречаются сверхмассивные объекты, которые логично должны были вырасти из чего-то поменьше. Ну, а пока вопрос о черных дырах средней массы остается открытым.
5. Какие черные дыры самые древние?
Давайте на время оставим в покое неуловимых средних потомков малых дыр – что насчет самых первых из всех существующих, которые образовались в момент начального расширения Вселенной после Большого взрыва?
Недавно астрономам удалось обнаружить наистарейшую черную дыру возрастом более 13 млрд лет. Но теоретически ее тип считается еще старше, а по размерам она значительно меньше представленных в типологии.
Ученые выдвинули теорию, причем никто в мире не в силах ни доказать ее, ни опровергнуть. Они считают, что время рождения «первичных черных дыр» – вскоре после того, как произошел Большой взрыв. Но размеры объектов слишком маленькие, чтобы образовать массивные материальные диски и скрываться в ядрах галактик.
То есть это гипотетический тип черных дыр, которые, как полагают астрофизики, образовались не из-за гравитационного коллапса звезды, а за счет скопления сверхплотной материи, наблюдавшегося в начале всех времен. Также ученые не исключают, что они сохранились до сих пор по всей Вселенной. Но их очень тяжело обнаружить из-за небольшого диапазона масс, который сопоставим с астероидами.
Причем, возможно, именно они являются причиной существования темной материи. Эту невероятную и таинственную субстанцию невозможно наблюдать напрямую, но ее присутствие очевидно по тому, как она преломляет свет.
6. В космосе их очень-очень много
Поскольку сверхмассивные черные дыры располагаются в самом центре галактик, то может показаться, что их не так уж много в космосе среди всех этих бесчисленных звезд, экзопланет, астероидов, молекулярных облаков, нейтронных звезд и прочих объектов, заполняющих нашу Вселенную.
Но это ошибочное впечатление. Как оказалось, их существуют невероятно огромное количество. Конечно, чисто теоретически.
Например, в 2022 году группа исследователей подсчитала, что в наблюдаемой Вселенной может существовать 40 квинтиллионов (это, на минуточку, 40 миллиардов миллиардов) черных дыр. Чтобы прочувствовать их число, вот эта цифра:
40 000 000 000 000 000 000 черных дыр
Разумеется, мы осознаем, что Вселенная бесконечна, хотя, как правило, наш мозг не привык думать, анализировать и воспринимать информацию такими бесконечными объемами, поэтому мы обычно можем представить себе только, что она огромна. Но если задуматься о количестве всего, что заключено внутри нее, то масштабы приобретут совершенно новое измерение. Попробуйте это осмыслить. Гарантированно снесет голову. Особенно если вы узнаете, что 40 квинтиллионов черных дыр — это всего лишь 1% от общего количества обычной материи во Вселенной.
7. Их рождение сопровождается огромным взрывом
По официальной теории, черные дыры рождаются, когда звезды завершают свой жизненный цикл и, остывая, взрываются.
Хотя мы этого даже не заметили, два года назад гигантский взрыв потряс Вселенную (9 октября 2022 года). В прошлом году астрономы подтвердили, что это был самый мощный гамма-всплеск, когда-либо наблюдавшийся, и, вероятно, самый мощный с момента зарождения человеческой цивилизации. Так, всплеск был примерно в 70 раз ярче, чем когда-либо фиксировалось учеными, которые считают, что такое событие бывает один раз в 10 000 лет. Официальное название — GRB 221009A. Вероятно, это не самый яркий из когда-либо произошедших всплесков, но «вполне возможно, это самый яркий всплеск рентгеновских и гамма-лучей, произошедший с момента зарождения человеческой цивилизации», — сказал Эрик Бернс, астрофизик в Университете штата Луизиана, соавтор исследования, опубликованного в выпуске Сиднейского университета.
По данным НАСА, гамма-всплески говорят о рождении черных дыр или столкновении сверхплотных объектов, таких как нейтронные звезды и черные дыры. Даже в глубинах дальней Вселенной эти объекты заявляют о своем присутствии. Хотя мы не можем увидеть черные дыры собственными глазами, эти взрывы подтверждают их присутствие в космическом пространстве.
8. Они могут оказаться меньше, чем мы предполагаем
Не так давно группа ученых обнаружила в космосе компактный объект, который поставил их в тупик: его масса в 2,09-2,71 раза превышает массу Солнца. Это позволяет считать его либо массивной нейтронной звездой – плотной, конечной стадией звездной жизни, либо сверхмаленькой черной дырой – самой легкой из известных ученым.
Физическая теория утверждает, что первичные черные дыры имеют маленькие размеры, поэтому необычный объект мог бы оказаться первичной черной дырой. Но первичные черные дыры относятся к области теории и гипотетическим объектам Вселенной. А этот объект был реально обнаружен путем наблюдения с помощью радиотелескопа, что сбило ученых с толку. Находится он в 40 000 световых лет от Земли. Пока ученые не знают, что это. Они полагают, что если это нейтронная звезда, то она, вероятно, самая тяжелая из известных на сегодняшний день. Если это черная дыра, то она может быть самой легкой из всех известных, что может повлиять на понимание астрофизиками природы взрывов сверхновых или динамических космических взаимодействий, таких как слияние нейтронных звезд внутри шаровых скоплений.
9. Формирование происходит быстрее предполагаемого
Настроение у исследователей дыр приподнятое – 2024 год начался великолепно. Группа ученых объявила об обнаружении старейшего из известных объектов этого типа.
Зарождение этой черной дыры произошло более 13 млрд лет назад. Возраст самой Вселенной — 13,77 миллиарда лет. Но находка рождает и новые вопросы относительно этих космических объектов. Размер этой дыры превышает тот, который ученые ранее считали возможным для нее на такой ранней стадии эволюции Вселенной.
Обычно считается, что черные дыры образуются, когда огромные звезды коллапсируют внутрь самих себя. Но если бы недавно обнаруженная черная дыра возникла традиционным способом, на ее формирование потребовался бы миллиард лет. Ученые надеются, что будут найдены еще более древние черные дыры, тогда они смогут лучше понять, как на самом деле образуются эти таинственные пожиратели материи, продолжая формировать Вселенную, какой мы ее знаем.
Одно известно точно: поскольку эта галактика, где была обнаружена эта древняя черная дыра, по-видимому, всего на 400 миллионов лет моложе самой Вселенной, исследователи пришли к выводу, что стандартные модели образования черных дыр необходимо пересмотреть.
Обложка: shutterstock.com
Источник статьи: 9 Things You Didn’t Know About Black Holes
