Сверхмассивные черные дыры

Группа астрономов из института астрономии Гавайев, университета Висконсина, центра космических полетов им. Годдарда и центра космических полетов им. Маршалла в своем докладе на 20-ом симпозиуме по релятивистской астрофизике от 12 декабря представила результаты исследований сверхмассивных черных дыр.

Сверхмассивные черные дыры излучают во Вселенную гораздо больше энергии, чем все звезды вместе взятые. Многие из них сформировались не так давно. Они составляют всего лишь небольшую часть удаленных экзотических объектов, образующих то, что астрономы называют рентгеновским фоном, и производящих равномерно распространяющееся через всю Вселенную рентгеновское излучение

Сверхмассивные черные дыры излучают во Вселенную гораздо больше энергии, чем все звезды вместе взятые. Многие из них сформировались не так давно. Они составляют всего лишь небольшую часть удаленных экзотических объектов, образующих то, что астрономы называют рентгеновским фоном, и производящих равномерно распространяющееся через всю Вселенную рентгеновское излучение.

Исследователи считают, что по крайней мере 15 процентов всех сверхмассивных черных дыр сформировалось, когда возраст Вселенной составлял половину ее сегодняшнего возраста. И в настоящее время черные дыры продолжают расти. Это противоречит существовавшей до сих пор теории, основанной на связи между размерами черных дыр и содержащих их галактик и предполагающей, что черные дыры сформировались тогда, когда формировались галактики.

Массы сверхмассивных черных дыр, образующихся в результате коллапса газовых облаков, от миллионов до миллиардов раз превышают массы звезд, а их размеры сравнимы с размерами нашей Солнечной системы. Астрономы полагают, что большинство галактик, включая и нашу собственную, содержат в центре сверхмассивные черные дыры.

Черные дыры считаются "активными", когда на них происходит аккреция больших количеств вещества. Это вещество, нагретое до миллионов градусов под влиянием сильных гравитационных сил, излучает особенно ярко в рентгеновском диапазоне.

Еще в январе 2000 года было объявлено о том, что с помощью рентгеновской обсерватории Chandra в так называемом рентгеновском фоне удалось разрешить отдельные точечные источники - удаленные галактики с активными черными дырами. Были проведены оптические, субмиллиметровые и радио - наблюдения этих источников. Субмиллиметровые и радио - измерения дают информацию о количестве энергии, испускаемой при формировании сверхмассивных черных дыр.

Вычисленные по данным наблюдений интервалы времени, в течении которых формируется и растет черная дыра, оказались намного большими, чем можно было бы ожидать с том случае, если бы эти черные дыры образовывались в результате слияния крупных галактик, как часто предполагалось до сих пор.

Наземные наблюдения проводились на 10-метровом телескопе Keck (оптические) и телескопе Максвелла (субмиллиметровые). Оба телескопа расположены на Гавайях. Радио - наблюдения проводились с помощью Very Large Array Национальной радио обсерватории (National Radio Observatories)

Одна из наиболее загадочных бинарных систем в нашей звездной системе предоставила свой кров очень массивной черной дыре. Очень крупная черная дыра, - в 14 раз по массе больше, чем Солнце - самая тяжелая из известных черных дыр звездного происхождения в нашей Галактике.

При использовании инструмента ISAAC, установленного на 8.2-метровом телескопе ANTU в ESO Paranal Observatory, международная команда астрономов заглянула в отдаленную область Млечного Пути, чтобы исследовать двойную систему GRS 1915+105, расположенную почти в 40,000 световых годах от Земли.

Ученые идентифицировали слабую звезду, которая "кормит" собой черную дыру посредством перетекания звездного вещества. Детальное дополнительное наблюдение показало, как эта звезда вращается вокруг ее "голодного" компаньона. Анализ ее орбитального движения сделал возможным оценить массу черной дыры. Наблюдение массивной черной дыры в GRS 1915+105 открывает фундаментальные вопросы относительно массивных черных дыр звездного происхождения, - действительно ли такие объекты вращаются вокруг своей оси?

Дистанция между донорской звездой и срастающейся с ней черной дырой - приблизительно половина одной астрономической единицы (то есть половина радиуса земной орбиты).

Несколько объектов в пределах нашей Галактики походят на миниатюрные квазары, которые наблюдаются в центрах отдаленных галактик. Квазары, как полагают, являются своего рода оболочкой, скрывая внутри супермассивные галактические черные дыры. Эти черные дыры испускают обильное количество энергии, поскольку окружающее вещество стекается в диск и по спирали утекает в зону горизонта событий черной дыры. Иногда, квазары выбрасывают настолько сильные струи газа, что они летят со скоростями, близкими к скорости света.

Микроквазары - в основном то же самое явление, но в масштабах – в миллион раз меньше. Они - бинарные звездные системы в нашей Галактике, в которых один из объектов звезда, а другой - нейтронная звезда или черная дыра. Эти микроквазары также показывают признаки энергетического истечения вещества на массивный компактный объект. Наиболее загадочные из этих систем - те, которые содержат черную дыру.

Обнаружение таких объектов, которые подражают свойствам отдаленных квазаров, открывает новые интересные перспективы и позволит нам лучше понять странные явления, которые связаны со струями газа и спиральными дисками вокруг черных дыр.

Бинарная звездчатая система GRS 1915+105 - одна из горстки микроквазаров, известных в нашей Галактике. Эта система была сначала обнаружена в 1994 рентгеновским спутником GRANAT. В рентгеновском спектре из GRS 1915+105 выходят яркие и спорадические выбросы.

Переменное рентгеновское излучение интерпретировалось как причина падения вещества в черную дыру из внутренней области, окружающей спиральный диск струящегося газа. Этот загадочный источник наблюдался также и с целью зафиксировать выбросы горячего газа при скоростях, очень близких к скорости света.

GRS 1915+105 лежит в созвездии Орла и расположен вблизи основной плоскости нашей Галактики, приблизительно в 40 000 световых лет от Солнца. Много газа и пыли в плоскости Галактики скрывают этот объект от нашего взгляда в оптическом диапазоне (видимого света).

Спектральный анализ полос калия (в 2.2 µm почти инфракрасная спектральная область) показывает несколько спектральных особенностей звезды компаньона, которая жертвует свое вещество черной дыре. Присутствие и характеристики этих линий указывают, что эта донорская звезда – звезда малой массы. Но насколько?

Наблюдение, как положения спектральных полос в зоне одноокиси углерода (CO), со временем позволили астрономам измерить орбитальное движение донорской звезды.

Затем были выполнены инфракрасные наблюдения GRS 1915+105, в спектральной области, где сгущение пыли намного менее сильное, чем в видимом свете.

После осторожного анализа наблюдаемых линий спектра, астрономы в итоге пришли к заключению, что звезда, жертвующая вещество массивному компактному объекту – это звезда малой массы класса Солнца. Но это было только начало этой долговременной программы наблюдений.

Наблюдение за движением звезды компаньона выявило, что она вращается вокруг черной дыры примерно со скоростью 140 км/с.

Серия всех этих наблюдений, начатая еще в апреле 2000 года, непрерывно продолжась до сентября 2000 года. Обработка результатов измерений заняла не мало времени.

Результаты показали, что невидимый компаньон в GRS 1915+105 должен в любом случае быть более тяжелым, чем 9.5 солнечных масс.

То, что массивный компактный объект этой системы, скрывающийся под "одеялом" микроквазара может быть или нейтронная звезда или черная дыра, было ясно изначально. Но в пользу того, что там именно черная дыра явилось то обстоятельство, что нейтронная звезда не может быть более тяжелой, чем 3 солнечных массы. Если бы нейтронная звезда была более тяжелой, то она очень быстро бы превратилась в черную дыру.

Поэтому заключение было дано достаточно точно: компактный объект в GRS 1915+105 - действительно черная дыра.

Однако, астрономы добились еще больших успехов. Они оценили фактическую массу черной дыры, по оценке массы звезды-донора, ее орбите вокруг черной дыры и по известным особенностям выбрасываемых струй газа. Результат такой: черная дыра должна взвесить 14 солнечных масс.

До сих пор, около дюжины черных дыр в Галактике были выявлены таким образом (вместе с оценкой их массы). GRS 1915+105 оказался самым тяжелым из всех черных дыр звездного происхождения, известных в нашей Галактике.

Малая черная дыра

Черные дыры - это области пространства, настолько плотные, что даже свет не может преодолеть их гравитационного притяжения. Так как черная дыра проглощает газ, пыль и даже звезды, поглащаемое вещество становится настолько горячим, что начинает излучать с очень высокой энергией по мере того, как погружается в черную дыру. Эта энергия включает и рентгеновское излучение, которое способны обнаруживать телескопы на околоземной орбите.

Астрономы обнаружили относительно малую черную дыру в центре галактики NGC 4395 в созвездии Гончих Псов, которая излучает в рентгене так же интенсивно, как черные дыры обычных размеров.

NGC 4395 - первая галактика, в центре которой найдена маленькая, но очень эффективная сверхмассивная черная дыра.

В статье, которая была опубликована в Monthly Notices Королевского Астрономического Общества, астрономы из института астрономии Кембриджского университета пишут о том, что они обнаружили "крошечную" супермассивную черную дыру, которая, вопреки математическим ожиданиям, является столь же мощной, как большие черные дыры в центрах других галактик.

Черная дыра, расположенная в галактике NGC 4395, массивнее нашего Солнца в 50000 раз. Обычные известные нам сверхмассивные черные дыры, как правило, в миллионы и миллиарды раз массивнее Солнца. Согласно астрономам, эта черная дыра "работает" так же, как обычная сверхмассивная черная дыра, несмотря на ее малые размеры.

Наличие таких небольших по размерам черных дыр может объяснить свойства сейфертовских галактик - одного из типов активных галактик, в центре которых, как считается, содержатся черные дыры. Такие галактики менее ярки, чем квазары и другие активные галактики, но испускают большое количество рентгеновского излучения.

Астрономы пока не знают, сколько существует подобных черных дыр. NGC 4395 - единственая известная галактика с такой черной дырой

Черная дыра нового типа

Космический рентгеновский телескоп Chandra обнаружил черную дыру нового типа

Несколько групп ученых сообщили 13 сентября 2000 года о том, что они получили доказательства существования черной дыры нового типа, не наблюдавшегося ранее. Такая черная дыра была обнаружена в галактике M82. Это средняя по массе черная дыра, которая располагается на расстоянии 600 световых лет от центра галактики M82. Ученые считают, что эта черная дыра может представлять собой отсутствовавшее до сих пор звено между небольшими и сверхмассивными черными дырами, которые располагаются в центрах галактик.

"Полученные результаты открывают целую новую область исследований," - сказал Martin Ward из университета Leicester, Великобритания, участник наблюдений. "Никто не был уверен, что такие черные дыры существуют, особенно вне центров галактик." Черная дыра в галактике M82 с массой, в 500 раз превышающей массу Солнца, по размерам сравнима с Луной. Такая черная дыра требует критических условий для создания, например, коллапса "гиперзвезды" или слияния нескольких черных дыр.

"Эта черная дыра может со временем переместиться к центру галактики, где она может превратиться в супермассивную черную дыру," - говорит Dr. Hironori Matsumoto из Массачусетского технологического института (MIT) в Кембридже.

В прошлом в нашей галактике во время периодов интенсивного звездообразования могли образоваться средне - массивные черные дыры, так что в дополнение к примерно двум десяткам известных черных дыр и сверхмассивной черной дыре, расположенной в центре галактики, могут существовать сотни таких "средних" черных дыр

Новое доказательства событий окружающих черные дыры. Верхнее изображение: газ от звезды компаньона оттянут самотеком на черную дыру в завихряющейся модели. Поскольку газ движется, сильное гравитационное красное смещение заставит это выступить более красным и регулятор освещенности. Когда газ наконец пересечет горизонт событий, он исчезает из вида. Из-за этого область в пределах поля действия выглядит черной. Нижнее изображение: Как верхнее, газ от звезды компаньона стекает на разрушаемую звезду - в этом случае нейтронная звезда вместо черной дыры. Поскольку газ приближается к нейтронной звезде, подобное гравитационное красное смещение выделяет газ, выступает более красным и регулятор освещенности. Однако, когда газ достигнет поверхности твердого тела нейтронной звезды, он начнет ярко пылать

Черные дыры - объекты кардинально иной природы

Исследователи из Los Alamos National Laboratory Министерства Энергетики США и Университета Штата Южная Каролина, выдвинули новую гипотезу, что "черные дыры" – вовсе не дыры вообще, а некие объекты, более родственные по природе пузырькам конденсата Бозе-Эйнштейна.

Исследователь Эмиль Моттола из Теоретического Отделения Los Alamos National Laboratory вместе с соавтором Павелом Мазуром из Университета Штата Южная Каролина в США, представили свое видение на природу черных дыр на ежегодной встрече Американского Физического Общества в Альбукерке.

Объяснение исследователей вносит кардинально новый взгляд на природу черных дыр, которые представляются не как "дыры" в космосе, где вещество и свет необъяснимо исчезают в зоне горизонта событий, а скорее как сферические пустоты, окруженные особой формой вещества никогда прежде не известного на Земле. Мазур и Моттола называют эти объекты не черными дырами, а гравитационными звездами.

Гравитационные звезды дают ответы на многие из нерешенных вопросов, которые возникли в соответствии с традиционными взглядами на черные дыры. Традиционное толкование таких объектов, как черные дыры состоит в том, что они формируются в космосе, когда звезды достигают конца своей жизни и по своей массе превышают некий предел. Из-за чего после своей смерти начинают сжиматься и скорость их сжатия превышает обратную силу давления вещества. Происходит коллапс и все вещество схлопывается в точку, размер которой варьируется в зависимости от гравитационного радиуса. Черная дыра создает ошеломляющее по силе поле тяготения, которое настолько мощно, что ничто не может выйти из зоны его действия, даже свет.

Моттола и Павел говорят, что в то время как происходят процессы разрушения в затухающей звезде, ее последующий коллапс не бесконечен и доходит до некоторого предела, где сила тяжести затухающей звезды трансформирует вещество звезды в новую фазу. Моттола описывает эту фазу как стадию, подобную конденсату Бозе-Эйнштейна, фазе вещества, недавно полученного на лабораторной установке лаборатории и являвшегося до недавнего времени жаркой темой научных дискуссий.

Конденсация Бозе-Эйнштейна – это фазовый переход в идеальном бозе-газе (квантовом газе частиц или квазичастиц с целым спином), заключающийся в переходе макроскопически большого числа частиц в состояние с нулевым импульсом. Он происходит при низкой температуре (приближающейся к абсолютному нулю), когда длина волны де Бройля теплового движения частиц становится порядка величины среднего расстояния между ними.

Когда вещество охлаждается достаточно, чтобы стать конденсатом Бозе-Эйнштейна, атомы, которые составляют вещество трансформируются в новую фазу. Атомы достигают квантового состояния и слипаются в каплю материала, называемого "атом высшего качества". Свойства конденсатов Бозе-Эйнштейна - тема для интенсивного исследования, и много физиков работают над тем, чтобы понять их.

Моттола и Мазур полагают, что затухающие звезды сокращаются до размеров горизонта событий, где вещество переходит определенную черту и трансформируется к новому состоянию вещества, которое формирует гравитационные звезды. Согласно их представлениям, вещество затухающей звезды создает ультратонкую, ультра-холодную, ультра-темную оболочку материала, который является фактически неразрушаемым. Новая форма гравитационной энергии такого объекта родственна конденсату Бозе-Эйнштейна, хотя, похоже, внутри такого объекта сосредоточен вакуум.

Любое вещество поблизости, которое падает на поверхность гравитационной звезды, может заново излучаться как другая форма энергии, которая делает гравитационные звезды потенциально намного более мощными источниками радиации, чем черные дыры, которые просто проглатывают материал.

Внутри гравитационной звезды пространство и время меняются местами, как и в модели черной дыры.

Хотя подход исследователей и нетрадиционен, их модель объясняет один необъяснимый вопрос, возникший в соответствии с теорией черной дыры. По сценарию происходящих процессов внутри черной дыры, количество энтропии, созданной в черной дыре стало бы почти бесконечным. Физики долго мучались, чтобы объяснить огромную энтропию черных дыр, и в значительной степени их попытки так и оказались бесплодными. В отличие от черной дыры, гравитационная звезда имеет очень низкую энтропию.

Моттола и Мазур продолжают совершенствовать свою теорию и работают над концепцией вращения гравитационной звезды. Они даже высказывают предположение, что Вселенная, в которой мы живем, может быть внутренней оболочкой гигантской гравитационной звезды.