10 новых удивительных открытий, связанных с черными дырами
Черные дыры являются, пожалуй, самыми странными и загадочными объектами в известной нам Вселенной. Их никто не видел, но ученые уверены в том, что они существуют. Они не только предсказаны Эйнштейном, их присутствие косвенно подтверждается тем влиянием, которое они оказывают на окружающее их пространство-время. Кое-что нам об этих объектах все-таки известно, но еще больше – неизвестно. По мнению ученых, понимание феномена черных дыр и в частности тех процессов, что происходят в их центрах, позволит нам не только понять, но и даст нам возможность управлять самими фундаментальными силами природы, например, той же гравитацией.
Каждый год ученые сообщают об открытиях, связанных с черными дырами, шаг за шагом, позволяющих приблизится к понимаю их природы. Сегодня поговорим о десятке самых последних.
Множество черных дыр промежуточной массы
Среди семейства черных дыр, пожалуй, больше всех выделяются так называемые черные дыры средней (или промежуточной) массы. Это черные дыры, масса которых значительно больше, чем масса черных дыр звездной величины (от 10 до нескольких десятков масс Солнца), но гораздо меньше, чем у сверхмассивных черных дыр (от миллиона до сотен миллионов масс Солнца). Ранее предполагалось, что этот вид черных дыр встречается существенно реже двух других указанных классов, однако недавнее открытие опровергло это мнение.
В 2018 году ученые нашли место, где чаще всего встречаются такие объекты. По необъяснимым пока причинам чаще всего черные дыры средней массы встречаются в центрах маленьких галактик. Как только ученые это выяснили, редкий вид черных дыр перестал быть редким. Более того, это открытие, возможно, поможет решить еще одну загадку, связанную с черными дырами.
Одним из наиболее актуальных вопросов современной астрономии является природа сверхмассивных черных дыр. Ученые не могут понять, как некоторые из обнаруженных сверхмассивных черных дыр в относительно компактных галактиках очень быстро выросли в размерах с момента Большого взрыва. Указать на правильный ответ могут те самые черные дыры средней массы. Согласно одному из предположений, сверхмассивные черные дыры могли вырасти из черных дыр средней массы, согласно другому — они таким родились изначально. Но как? Точного ответа ученые предоставить пока не могут, но, похоже, начинают двигаться в правильном направлении.
Загадочные объекты рядом со Стрельцом А*
Стрелец А* — это сверхмассивная черная дыра, расположенная в центре нашей галактики. В начале 2000-х рядом с ней ученые обнаружили два загадочных объекта. Их прозвали объектами G-класса и первоначально приняли за газопылевые облака. Загадка началась после того, как эти объекты приблизились к черной дыре. Вместо того чтобы быть разорванными мощной гравитацией сверхмассивной черной дыры, объекты G1 и G2 смогли каким-то образом уцелеть.
В 2018 году ученые обнаружили еще три объекта G-класса (G3, G4, G5) рядом со Стрельцом А*. Анализ собранных за 12 лет данных окончательно картину для астрономов не прояснил. Объекты привлекают к себе внимание своими необычными свойствами. Все пять G-объектов имеют характерные визуальные признаки газовых облаков, но при этом ведут себя как звезды с огромной массой.
Исходя из этого ученые сделали предположение, что столкнулись с очень редким типом звезд, нехарактерных для нашей галактики. Появление этих объектов ученые объясняют уникальными условиями в окрестностях сверхмассивной черной дыры: здесь под действием мощной гравитации может происходить схлопывание двойных звезд с образованием единого, крупного, окутанного толстыми газопылевыми оболочками объекта. Тем не менее ученые отмечают, что не все объекты имеют схожие орбиты вокруг черной дыры, поэтому точно объяснить природу увиденного явления они пока не могут.
Самая древняя черная дыра
Открытие самой древней черной дыры – это не просто вопрос возраста. Обнаружение этого старичка может помочь нам решить множество интересных загадок, связанных с той эпохой, когда первые звезды во Вселенной только начали зажигаться.
По мнению ученых, обнаруженная в 2017 году черная дыра ULAS J1342+0928 появилась на свет спустя всего около 690 миллионов лет после Большого взрыва. Когда возраст космоса составлял всего 5 процентов от нынешнего, масса этой черной дыры уже в 800 миллионов раз превышала массу нашего сегодняшнего Солнца.
Объект расположен примерно в 13,1 миллиарда световых лет от Земли и сформировался в ранний период становления Вселенной. Этот период часто называют эпохой реионизации, когда за счет гравитационного притяжения начали появляться первые звезды, галактики, скопления и сверхскопления галактик. Полная картина реионизации по-прежнему ученым непонятна, поэтому появившиеся в этот период черные дыры безусловно могут являться одними из самых интересных источников новой информации.
Как уже отмечалось выше, ученые также не могут понять, каким образом за столь короткий срок после Большого взрыва черные дыры смогли накопить огромное количество массы. Объекты подобные ULAS J1342+0928 могут пролить свет на этот вопрос, однако для того чтобы делать какие-то выводы, было бы неплохо найти хотя бы еще несколько подобных космических динозавров. К сожалению, черные дыры эпохи реионизации встречаются крайне редко.
Самая быстрорастущая черная дыра
В 2018 году ученые обнаружили самую «голодную» черную дыру в известной нам Вселенной. Каждый день ежесекундно она потребляет массу эквивалентную массе нашего Солнца, за счет чего еще и быстро разрастается. К счастью для нас, она находится очень далеко. Если бы этот монстр находился в центре Млечного Пути, то создаваемое им рентгеновское излучение стерилизовало бы Землю от любой жизни.
Когда ученые обнаружили первый свет от квазара J2157-3602, связанного с этой черной дырой, то его возраст был оценен в 12 миллиардов лет. Как только ученые подтвердили, что рядом с квазаром действительно находится черная дыра, ее масса уже составляла порядка 20 миллиардов солнечных масс. На данный момент астрономы не могут объяснить причину столько быстрого роста черной дыры.
Единственное, что известно об этом объекте, так это то, что его аппетиты разогревают окружающий газ и пыль до таких состояний, что их яркость легко затмит свет практически всех звезд на небе.
Скрытое скопление
В одном галактическом скоплении могут находиться сотни и даже тысячи галактик. Эти скопления рассматриваются учеными в качестве одних из самых больших объектов во Вселенной. Думаете такую громадину невозможно скрыть одним единственным космическим объектом? Ошибаетесь. Один квазар доказал обратное.
Обнаруженный объект получил название PKS1353-341 и изначально подразумевался отдельной галактикой, с невероятно яркой центральной областью. Однако астрономы Массачусетского технологического института в 2018 году открыли правду, которая скрывалась в течение нескольких десятилетий с момента обнаружения этого объекта. Оказалось, что объект представляет собой не галактику, а один единственный квазар (область раскаленного газа, окружающего сверхмассивную черную дыру), который находится в центре целого галактического скопления, расположенного в 2,4 миллиарда световых лет от Земли.
Квазар оказался настолько ярким, что в буквальном смысле затмил все окружающее пространство, содержащее сотни галактик. Ученые из MIT рассчитали его яркость и оказалось, что она в 46 миллиардов раз превышает яркость Солнца. По мнению исследователей, такая экстремальная яркость связана с поглощением центральной сверхмассивной черной дырой большого количества окружающего ее материала.
Двойные системы
Еще одной загадкой для ученых являются так называемые двойные, то есть парные черные дыры, оборачивающиеся вокруг друг друга. Случаи столкновения черных дыр ученые уже отмечали в прошлом. Два были определены в 2015 году, еще один – в 2017-м. Что удивительно, благодаря последнему ученые впервые стали прямыми свидетелями не менее редкого явления.
В полученном сигнале столкновения двух черных дыр были отмечены признаки гравитационной ряби пространства-времени — изменения гравитационного поля, распространяющегося подобно волнам. Обе черные дыры при этом не были уничтожены, но вместо этого слились в единое целое – сверхмассивную черную дыру, по размерам еще больше, чем ее прародители.
По поводу природы появления систем из двойных черных дыр у ученых имеется два предположения. Согласно одному, двойные черные дыры появляются при гибели двойных систем звезд. Согласно второй – черные дыры формируются независимо друг от друга и уже после, дрейфуя в космосе, притягиваются друг другу под действием гравитационных сил.
Смертоносный пузырь
В 2018 году физики предположили еще один сценарий апокалипсиса: Земля может быть уничтожена с помощью черных дыр. Годом ранее научный мир праздновал подтверждение открытия гравитационных волн – феномена, растягивающего и сжимающего ткань реальности. Эта сила смертоносна.
В новой теории, ученые из Принстонского университета предсказали один из сценариев того, что может произойти, если в результате высокоэнергетических космических катаклизмов (например, при слиянии двух черных дыр или двух нейтронных звезд), появившиеся гравитационные волны столкнуться между собой.
Гравитационные волны для иллюстрации примера часто сравнивают с кругами на воде, которые возникают, если бросить камень. Однако, если частица или объект движется со скоростью света, могут появиться плоские гравитационные волны. По мнению ученых, если волны будут достаточно большими, тогда их столкновение может создать гигантскую черную дыру, которая изменит пространство и время на огромной площади космического пространства.
Если это произойдет рядом с Землей, то не только всему живому, но и самой планете и всей Солнечной системе придет конец.
Черная дыра-изгой
Ученые не раз задавались вопросом о возможности «выброса» галактиками своих центральных черных дыр. Однако долгое время доказательств этого явления астрономы не могли обнаружить. Но в 2017 году галактика 3C186 преподнесла исследователям космоса настоящий сюрприз.
По мнению ученых, раньше галактика 3C186 представляла собой две отдельные галактики, которые в какой-то период своей истории слились в одну. Новая галактика обрела вполне явные очертания и форму, вместо предполагаемого беспорядочного строения, но главный сюрприз преподнес ее центр: ученые, полные надежд найти в нем сверхмассивную черную дыру, вообще ничего не нашли.
Позже черная дыра все-таки обнаружилась, только в 35 000 световых годах от галактического центра 3C186. Когда произошло столкновение двух звездных скоплений, столкнулись и их центральные галактические черные дыры, что в итоге привело к появлению сверхмассивной черной дыры. Данное событие, вероятнее всего, создало очень мощные гравитационные волны, которые эту новообразованную черную дыру и вытолкнули из галактики, объясняют ученые.
Сделать это, впрочем, оказалось не так-то просто, продолжают исследователи. Для выброса черной дыры из галактического центра потребовалось энергия, эквивалентная взрыву 100 миллионов сверхновых. Ученые до сих пор не разобрались в том, что же там произошло на самом деле, но уже становится понятным, что существуют силы, способные противостоять даже мощи самих черных дыр.
Что интересно, черная дыра-изгой продолжает двигаться к границам своей галактики. При текущих темпах она будет полностью выброшена за ее пределы примерно через 20 миллионов лет.
Обратный ход времени
Черные дыры образуются, когда происходит гравитационный коллапс (сжатие) достаточно массивной звезды, либо коллапс центральной части галактики или протогалактического газа. В этот момент в космос выбрасывается колоссальный объем гамма излучения. Последнее в свою очередь представляет собой наиболее яркое электромагнитное события, происходящие во Вселенной и до сих пор не до конца изучено учеными.
В 2018 году в пойманных сигналах гамма-излучения были обнаружены весьма странные признаки, которые, по мнению исследователей из NASA, можно интерпретировать как «обратный ход времени». Обычно при каждом событии гамма-выброса происходит излучение волны с определенной сигнатурой, которое никогда не повторяется. В обнаруженных же сигналах содержались аномалии, которые, как оказалось, невозможно объяснить с позиции ни одной теоретической модели. Эти сигналы представляли собой особые волнообразные структуры, которые были повернуты во времени так, как будто их начало находилось в конце вспышки, а конец — в первые мгновения выброса.
Для некоторых физиков подобного наблюдения оказалось достаточно для того, чтобы заявить о свидетельстве обратного хода времени. Согласно же другому и, скорее всего, более реальному объяснению, лучи гамма-выброса на своем пути могли столкнуться с некоей материей, наделившей волны сигнатурой, которая была принята учеными за обратный ход времени. Вполне возможно, что лучи ударились о некое скопление материи, которая подействовала на них как отражающая поверхность. Тем не менее не исключается возможность, что речь идет о совершенно новом законе физики, первым примером которого стали ученые в 2018 году.
Призраки погибших вселенных
В августе этого года британский физик Оксфордского университета Роджер Пенроуз сделал весьма громкое заявление. Он и его команда утверждают, что до появления нашей Вселенной, то есть до Большого взрыва, существовала другая вселенная. На такой вывод ученых натолкнул ряд наблюдаемых световых аномалий в микроволновом фоновом излучении, которые, по словам Пенроуза, представляют собой световые спирали, оставшиеся от черных дыр, принадлежавших предыдущей вселенной, существовавшей до Большого взрыва.
В одной из своих теорий еще более знаменитый британский физик Стивен Хокинг предположил, что черные дыры, после того, как потеряют основную массу своих частиц, пропадают. Эти гипотетические частицы носят название гравитонов. Они не имеют массы, электрического и иного заряда, но при этом обладают энергией и поэтому участвуют в гравитационном взаимодействии.
Когда одна вселенная погибает и появляется новая, эти гравитоны, как считает, Пенроуз, становятся частью новой вселенной. Ученый и его коллеги убеждены, что обнаружили эти уцелевшие «остатки» в микроволновом фоновом излучении. Они назвали обнаруженные световые аномалии «точками Стивена Хокинга». Если наблюдения ученых подтвердятся, нас ждет серьезная редактура теории Большого взрыва.
