Считается, что сверхмассивные черные дыры рождаются в результате последовательных слияний более мелких черных дыр, каждое из которых приносит с собой угловой момент, который ускоряет вращение черной дыры, которую они рождают. Следовательно, измерение спина сверхмассивных черных дыр может дать представление об их истории — и новое исследование предлагает новый способ делать такие выводы, основанные на влиянии вращающихся черных дыр на саму ткань пространства и времени.
Взбалтывание пространства-времени и разрушенные звезды помогают выяснить, как быстро вращаются сверхмассивные черные дыры. «Колеблющиеся» останки звезды, погибшей ужасной смертью в пасти сверхмассивной черной дыры, помогли выяснить скорость, с которой вращается ее пожиратель, сообщает журнал Nature.
Обреченная звезда, находящаяся в центре этого исследования, была разорвана на части сверхмассивной черной дырой во время, так называемого, события приливного разрушения (TDE). Эти события начинаются, когда звезда оказывается слишком близко к массивному гравитационному влиянию черной дыры. Как только она оказывается достаточно близко, внутри звезды генерируются огромные приливные силы, которые сдавливают ее горизонтально и растягивают вертикально. Это называется «спагеттификацией», и это процесс, который превращает звезду в прядь звездной пасты — но, что важно, не вся она поглощается разрушительной черной дырой.
Часть этого материала сдувается, а часть окутывает черную дыру, образуя сплющенное облако, называемое аккреционным диском. Этот аккреционный диск не только постепенно питает центральную черную дыру, но и те же самые приливные силы, которые изначально разорвали звезду, также вызывают огромные силы трения, которые нагревают эту тарелку газа и пыли, заставляя ее ярко светиться.
Иллюстрация, показывающая вращающуюся сверхмассивную черную дыру, окруженную обломками мертвой звезды и увлекающую за собой пространство-время (зеленая сетка)
Более того, когда сверхмассивные черные дыры вращаются, они тянут за собой саму ткань пространства-времени (четырехмерное единство пространства и времени). Этот эффект «Ленсе-Тирринга» или «эффект перетаскивания кадра» означает, что ничто не стоит на месте на краю вращающейся сверхмассивной черной дыры. Эффект также вызывает кратковременное «колебание» в недавно сформированном аккреционном диске черной дыры.
Группа исследователей обнаружила, что «колебание» этого аккреционного диска можно использовать для определения скорости вращения центральной черной дыры. Эффект перетаскивания кадра присутствует во всех вращающихся черных дырах. Если разрушающая черная дыра вращается, то поток звездного мусора на черную дыру после TDE подвержен этому эффекту.
Для исследования TDE и перетаскивания кадров команда потратила пять лет на поиск ярких и относительно близких примеров разпыва звезд, вызванных черными дырами, которые можно было бы быстро отследить. Целью было обнаружить признаки прецессии аккреционного диска, вызванной эффектом Лензе-Тирринга.
В феврале 2020 года этот поиск увенчался успехом. Команде удалось обнаружить AT2020ocn, яркую вспышку света, исходящую из галактики, расположенной примерно в миллиарде световых лет от нас. AT2020ocn был первоначально обнаружен в оптическом диапазоне длин волн с помощью Zwicky Transient Facility, причем эти данные в видимом свете указывают на то, что излучение исходило от TDE с участием сверхмассивной черной дыры с массой от 1 миллиона до 10 миллионов масс Солнца.
Из-за эффекта Лензе-Тирринга рентгеновское излучение, исходящее от недавно сформированного горячего аккреционного диска, прецессирует или «колеблется». Это проявляется в виде рентгеновских модуляций в данных. Однако через некоторое время, когда мощность аккреции падает, гравитация заставляет диск выровняться с черной дырой, после чего колебание и рентгеновские модуляции прекращаются.
Иллюстрация черной дыры, разрывающей звезду в результате приливного разрушения. Изображение вращающейся черной дыры, увлекающей за собой пространство-время. ESA/C. Carreau/ Robert Lea
TDE, запустивший AT2020ocn, может быть идеальным событием для поиска прецессии Лензе-Тирринга, и поскольку этот тип колебания присутствует только на ранних стадиях формирования аккреционного диска, им пришлось действовать быстро.
Единственный способ наблюдений — как только произойдет приливное нарушение, нужно заставить телескоп непрерывно смотреть на этот объект в течение очень долгого времени, чтобы исследовать все виды временных масштабов, от минут до месяцев.
Вот тут-то и появляется Neutron Star Interior Composition ExploreR (NICER) от NASA: рентгеновский телескоп, расположенный на Международной космической станции (МКС), который измеряет рентгеновское излучение вокруг черных дыр и других сверхплотных, компактных массивных объектов, таких как нейтронные звезды. Команда обнаружила, что NICER не только смог поймать TDE, но и рентгеновский телескоп, установленный на МКС, также смог непрерывно следить за событием, которое развивалось в течение нескольких месяцев.
Яркость рентгеновского излучения и температура области, испускающей рентгеновские лучи после TDE, модулируются в масштабе времени 15 дней. Этот повторяющийся 15-дневный рентгеновский сигнал исчезает через три месяца.
Результаты исследования также преподнесли сюрприз.
Оценки массы черной дыры и массы разрушенной звезды показали, что черная дыра вращается не так быстро, как ожидалось. Черная дыра вращается не так быстро — всего лишь менее 25% скорости света.
Ожидается, что благодаря обсерватории Веры К. Рубин, которая в настоящее время строится на севере Чили и которая будет проводить 10-летнее исследование Вселенной под названием Legacy Survey of Space and Time (LSST), у охоты за TDE есть светлое будущее. Rubin обнаружит тысячи TDE в течение следующего десятилетия. Если мы сможем измерить прецессию Лензе-Тирринга хотя бы в небольшой их части, мы сможем что-то сказать о распределении спина сверхмассивных черных дыр, которое связано с тем, как они эволюционировали на протяжении возраста Вселенной.
Неуловимые черные дыры среднего размера могут образовываться в плотных «родильных гнездах». Моделирование показало, что черные дыры с массой от 100 до 10 000 масс Солнца могут рождаться в результате хаотической цепочки столкновений звезд, сообщает журнал Science.
Исследователи обнаружили, что неуловимые черные дыры средней массы могут образовываться в плотных звездных скоплениях, содержащих от десятков тысяч до миллионов плотно упакованных звезд, называемых «шаровыми скоплениями».
Черная дыра средней массы имеет массу от 100 до 10 000 солнц. Они тяжелее черных дыр солнечной массы, масса которых составляет от 10 до 100 солнечных масс, но легче сверхмассивных черных дыр, масса которых эквивалентна миллионам или даже миллиардам солнц.
Эти космические промежуточные объекты оказались неуловимыми для астрономов, первый пример был обнаружен в 2012 году. Обозначенный как GCIRS 13E, он имеет массу в 1300 раз больше массы Солнца и расположен на расстоянии 26 000 световых лет от нас, в направлении галактического центра Млечного Пути.
Одна из загадок, окружающих черные дыры средней массы, касается их формирования. Черные дыры звездной массы рождаются, когда коллапсируют массивные звезды, а сверхмассивные черные дыры вырастают из последующих слияний все более крупных черных дыр. Однако звезда, достаточно массивная, чтобы умереть и создать черную дыру с тысячами солнечных масс, должна быть невероятно редкой и должна бороться за сохранение этой массы, когда она «умирает».
Шаровое скопление Мессье 92, расположенное на расстоянии 27 000 световых лет от нас в созвездии Геркулеса. ESA/NASA/Hubble
Чтобы исследовать тайну того, как появляются эти черные дыры средней массы, группа исследователей провела первое в истории звездное моделирование массивных скоплений. Это показало, что достаточно плотное молекулярное облако «родильное гнездо» шаровых скоплений может создавать звезды, достаточно массивные, чтобы сколлапсировать и породить черную дыру средней массы.
«Предыдущие наблюдения предполагали, что некоторые массивные звездные скопления, шаровые скопления, содержат черную дыру средней массы», — заявила в своем заявлении руководитель группы и ученый из Токийского университета Митико Фудзии. «До сих пор не было никаких убедительных теоретических доказательств, подтверждающих существование черной дыры средней массы с массой от 1000 до 10 000 солнечных по сравнению с менее массивными (звездной массы) и более массивными (сверхмассивными)».
Термин «родильное гнездо» вполне может вызывать образы и чувства тепла, комфорта и спокойствия, но он не может быть менее подходящим для описания звездообразования в шаровых скоплениях. Эти плотно упакованные конгломераты звезд живут в хаосе и смятении, с разницей в плотности, заставляющей звезды сталкиваться и сливаться. Этот процесс приводит к тому, что звезды накапливают массу, тем самым увеличивая свое гравитационное влияние, затягивая больше звезд в свою окрестность и тем самым вызывая все больше и больше слияний.
Процессы неконтролируемого столкновения и слияния, происходящие в сердцевине шаровых скоплений, могут привести к созданию звезд с массой, эквивалентной примерно 1000 солнц. Этой массы достаточно, чтобы создать черную дыру средней массы, но есть одно препятствие.
Астрофизики знают, что когда звезды коллапсируют, образуя черные дыры, большая часть их массы уносится взрывами сверхновых или звездными ветрами. Предыдущие моделирования образования черных дыр средней массы подтвердили это, дополнительно предполагая, что даже массивные звезды с массой в 1000 солнечных оказались бы слишком малы, чтобы создать черную дыру средней массы.
Снимок, полученный в результате моделирования на суперкомпьютере, демонстрирует образование кластера смолы в гигантском молекулярном облаке. Мичико Фудзи и Такааки Такеда, 2024 г.
Чтобы выяснить, может ли массивная звезда «выжить» с достаточной массой, чтобы породить черную дыру средней массы, Фудзи и его команда смоделировали шаровое скопление в процессе его формирования.
«Мы впервые успешно провели численное моделирование формирования шаровых скоплений, моделируя отдельные звезды», — сказал Фудзии. «Разрешая отдельные звезды с реалистичной массой для каждой, мы смогли реконструировать столкновения звезд в плотно упакованной среде. Для этих симуляций мы разработали новый код моделирования, в котором мы могли интегрировать миллионы звезд с высокой точностью».
В моделируемом шаровом скоплении неконтролируемые столкновения и слияния привели к образованию чрезвычайно массивных звезд, которые смогли сохранить достаточно массы, чтобы сколлапсировать и породить черную дыру средней массы.
Команда также обнаружила, что моделирование предсказало соотношение масс между черной дырой средней массы и шаровым скоплением, в котором она формируется. Это соотношение, как оказалось, соответствует фактическим астрономическим наблюдениям.
«Наша конечная цель — моделировать целые галактики», — пояснила Фудзии. «По-прежнему сложно моделировать галактики размером с Млечный Путь, изучая отдельные звезды, используя имеющиеся в настоящее время суперкомпьютеры. Однако можно было бы моделировать меньшие галактики, такие как карликовые галактики».
Фудзи и ее команда также намерены нацелиться на звездные скопления, образовавшиеся в ранней Вселенной. «Первые скопления также являются местами, где могут рождаться черные дыры средней массы», — сказала она.
Исчезают ли звезды в собственных черных дырах? Ученые обнаружили убедительные доказательства того, что некоторые массивные звезды заканчивают свое существование, погружаясь в черную дыру, которую сами и создали, без света и ярости сверхновой, сообщает журнал Physical Review Letters.
Звезды генерируют энергию посредством процессов ядерного синтеза в своих ядрах, посредством которых они превращают водород в гелий. Когда у звезд, масса которых по крайней мере в восемь раз больше массы нашего Солнца, заканчивается этот запас водорода, они начинают реакции синтеза с участием других элементов — гелия, углерода, кислорода и так далее, пока не получат инертное ядро из железа, требующее больше энергии для реакции синтеза, чем то, что оно может произвести. На этом этапе реакции синтеза прекращаются, и производство энергии, которая удерживает звезду, испаряется. Внезапно гравитация берет верх и заставляет ядро разрушаться, в то время как внешние слои звезды отскакивают от сжимающегося ядра и взрываются наружу — образуя сверхновую, которая в течение нескольких недель иногда может сиять ярче, чем целая галактика.
Между тем, коллапсирующее ядро образует компактный объект. Этот объект часто представляет собой вращающуюся нейтронную звезду, называемую пульсаром, но при определенных условиях он может быть черной дырой звездной массы. Это стандартная история звездных временных линий. Однако астрономы теперь начинают приходить к мысли, что некоторые звезды, которые производят черные дыры, могут делать это без взрыва сверхновой.
Исследователи время от времени замечали случаи неудавшихся сверхновых — звезд, которые начинают светиться так, как будто вот-вот взорвутся, но затем гаснут и угасают. В другом месте исследования старых фотографических пластинок в рамках проекта VASCO (Исчезающие и появляющиеся объекты в течение столетия наблюдений), возглавляемого Беатрис Вильярроэль, обнаружили на этих старых пластинках десятки звезд, которые просто больше не видны; как будто они исчезли без следа.
Могут ли эти неудавшиеся сверхновые и исчезающие звезды быть доказательством того, что звезды почти полностью затягиваются в черную дыру, которую они формируют, прежде чем у них появляется шанс взорваться? Что ж, возможно, считают некоторые ученые.
«Если бы кто-то стоял и смотрел на видимую звезду, переживающую полный коллапс, это могло бы быть, как раз в нужный момент, похоже на то, как звезда внезапно гаснет и исчезает с небес», — сказал Алехандро Винья-Гомес из Института астрофизики Макса Планка в Германии в своем заявлении. «Астрономы действительно наблюдали внезапное исчезновение ярко светящих звезд в последнее время».
Художественное представление VFTS 243, включающего в себя массивную звезду и черную дыру. ESO/L. Calçada
Хотя эта идея пока остается лишь теорией, теперь у нее есть веские подтверждающие доказательства в виде странной двойной системы, изученной Винья-Гомесом и его командой. Система, обозначенная как VFTS 243, была обнаружена в 2022 году и находится в туманности Тарантул, которая находится в Большом Магеллановом Облаке; она содержит звезду массой 25 солнечных и черную дыру массой 10 солнечных, которая, должно быть, была создана массивной звездой, которая относительно недавно, по космическим меркам, достигла конца своей жизни.
«VFTS 243 — это необычная система», — сказал Винья-Гомес. «Несмотря на то, что VFTS 243 содержит звезду, которая коллапсировала в черную дыру, следов взрыва нигде не обнаружено».
Например, орбиты звезды и черной дыры в VFTS 243 вокруг их общего центра масс по-прежнему почти круговые. Однако взрывы сверхновых асимметричны, с немного большим количеством энергии, вырабатываемой в одном направлении, чем в другом, что должно дать компактному объекту, который образует «натальный толчок». Такой толчок ускорил бы компактный объект, заставив его орбиту расшириться и стать более вытянутой. Обычно этот толчок составляет от 30 до 100 километров (от 19 до 62 миль) в секунду, однако черная дыра в VFTS 243, самое большее, получила толчок всего на четыре километра (2,5 мили) в секунду.
Последствия натальных толчков наблюдались ранее в пульсарах, но никогда ранее в черных дырах звездной массы. Вполне возможно, что это говорит нам что-то о том, как формируются черные дыры звездной массы, и VFTS 243 — это самый ясный взгляд на результаты этого процесса.
Родовые толчки являются результатом трех вещей: выброса обломков из взрывающейся звезды, выброса нейтрино из коллапсирующего ядра звезды и гравитационных волн. Однако, если бы не было сверхновой, не было бы и обломков, остались бы только нейтрино и гравитационные волны, обеспечивающие гораздо меньший толчок — именно это мы и видим в VFTS 243.
Если это верно, то это означает, что многие из самых массивных звезд во Вселенной, которые светят так ярко, заканчивают свою жизнь в безмолвной темноте, поскольку их затягивает в небытие черная дыра. Это также может быть окончательной судьбой выжившей звезды в VFTS 243, когда она достигнет конца своей жизни.
Существуют также более широкие последствия. Взрыв сверхновой — это фабрика элементов. Мало того, что такие элементы, как кислород, углерод и азот из внешних слоев умирающей звезды, выбрасываются в космос, где они могут быть переработаны в следующее поколение звезд и планет, интенсивное тепло и энергия ударной волны сверхновой могут привести к образованию еще более тяжелых элементов в обломках сверхновой. Например, одна из причин, по которой сверхновые светят так ярко и так долго, заключается в том, что радиоактивный распад изотопов никеля, образующихся при взрыве, приводит к образованию кобальта и железа.
Однако если некоторые массивные звезды полностью коллапсируют в черные дыры без взрывов сверхновых, то они не могут способствовать созданию и переработке элементов. Таким образом, космохимикам необходимо будет включить эту концепцию, если она действительно верна, в свои модели того, как элементы образуются и распространяются в пространстве. Только тогда они смогут начать полностью понимать химическую эволюцию галактик, включая нашу, и как быстро могут накапливаться необходимые элементы для формирования планет, таких как Земля, возможно, даже с собственной жизнью, созданной из элементов, произведенных взрывающимися звездами.
Ученые впервые подтвердили, что сама ткань пространства-времени совершает «последний прыжок» на краю черной дыры. Наблюдение за этой стремительно движущейся областью вокруг черных дыр было проведено астрофизиками из физического факультета Оксфордского университета и помогло подтвердить ключевое предсказание теории гравитации Альберта Эйнштейна 1915 года: общую теорию относительности, сообщает журнал Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Команда Оксфорда сделала открытие, сосредоточившись на регионах, окружающих черные дыры звездной массы в двойных системах со звездами-компаньонами, расположенными относительно близко к Земле. Исследователи использовали рентгеновские данные, собранные с различных космических телескопов, включая Ядерный спектроскопический телескоп NASA (NuSTAR) и установленный на Международной космической станции исследователь состава внутренней части нейтронной звезды (NICER).
Эти данные позволили им определить судьбу горячего ионизированного газа и плазмы, оторванных от звезды-компаньона, которые в последний раз нырнули на самом краю связанной с ними черной дыры. Результаты показали, что эти ныряющие области вокруг черной дыры являются местами расположения некоторых из самых сильных точек гравитационного влияния, когда-либо наблюдавшихся в нашей галактике Млечный Путь.
«Это первый взгляд на то, как плазма, оторванная от внешнего края звезды, претерпевает свое окончательное падение в центр черной дыры, процесс, происходящий в системе на расстоянии около 10 000 световых лет», — сказал руководитель группы и ученый-физик Оксфордского университета Эндрю Маммери в своем заявлении. «Теория Эйнштейна предсказывала, что это окончательное падение будет иметь место, но это первый раз, когда мы смогли продемонстрировать, что это происходит».
«Обычная» звезда находится в двойной системе с черной дырой, масса которой следует от первой к второй. ICRAR
«Представьте себе, что река превращается в водопад — до сих пор мы смотрели на реку. Это наш первый взгляд на водопад».
Общая теория относительности Эйнштейна предполагает, что объекты с массой заставляют саму ткань пространства и времени, объединенную в единую четырехмерную сущность, называемую «пространство-время», искривляться. Гравитация возникает из-за результирующей кривизны.
Хотя общая теория относительности работает в 4D, ее можно смутно проиллюстрировать с помощью грубой 2D-аналогии. Представьте себе размещение сфер увеличивающейся массы на растянутом резиновом листе. Мяч для гольфа оставит крошечную, почти незаметную вмятину; мяч для крикета оставит большую вмятину; а шар для боулинга — огромную вмятину. Это аналогично тому, как луны, планеты и звезды «вдавливают» 4D-пространство-время. По мере увеличения массы объекта увеличивается и кривизна, которую они вызывают, и, таким образом, увеличивается их гравитационное влияние. Черная дыра будет похожа на пушечное ядро на этом аналогичном резиновом листе.
С массами, эквивалентными десяткам или даже сотням солнц, сжатыми в ширину около Земли, кривизна пространства-времени и гравитационное влияние черных дыр звездной массы могут стать весьма экстремальными. С другой стороны, сверхмассивные черные дыры — это совсем другая история. Они чрезвычайно массивны, с массами, эквивалентными миллионам или даже миллиардам солнц, затмевая даже своих коллег звездной массы.
Возвращаясь к общей теории относительности, Эйнштейн предположил, что эта кривизна пространства-времени приводит к другой интересной физике. Например, сказал он, должна быть точка сразу за границей черной дыры, в которой частицы не смогут следовать по круговой или стабильной орбите. Вместо этого материя, которая попадает в эту область, устремится к черной дыре со скоростью, близкой к скорости света.
Иллюстрация показывает черную дыру, вызывающую «погружающуюся» деформацию пространства-времени. Роберт Ли
Понимание физики материи в этой гипотетической погружающейся области черной дыры уже некоторое время является целью астрофизиков. Чтобы решить эту проблему, команда Оксфорда рассмотрела, что происходит, когда черные дыры существуют в двойной системе с «обычной» звездой.
Если эти две звезды находятся достаточно близко или если эта звезда слегка раздута, гравитационное воздействие черной дыры может вытянуть звездный материал. Поскольку эта плазма имеет угловой момент, она не может упасть прямо на черную дыру — поэтому вместо этого она образует сплющенное вращающееся облако вокруг черной дыры, называемое аккреционным диском.
Из этого аккреционного диска материя постепенно поступает в черную дыру. Согласно моделям питания черных дыр, должна быть точка, называемая внутренней устойчивой круговой орбитой (ISCO) — последняя точка, в которой материя может оставаться стабильно вращающейся в аккреционном диске. Любая материя за пределами этого находится в «области погружения», и она начинает свой неизбежный спуск в пасть черной дыры. Спор о том, можно ли когда-либо обнаружить эту область погружения, был улажен, когда команда Оксфорда обнаружила выбросы из-за ISCO аккреционных дисков вокруг двойной черной дыры Млечного Пути под названием MAXI J1820+070.
Расположенная примерно в 10 000 световых лет от Земли и имеющая массу около восьми солнц, черная дыра, являющаяся компонентом MAXI J1820+070, вытягивает материал из своего звездного компаньона, одновременно выбрасывая две струи со скоростью около 80% скорости света; она также производит сильное рентгеновское излучение.
Команда обнаружила, что рентгеновский спектр MAXI J1820+070 находится в «мягком состоянии» вспышки, представляющей собой излучение аккреционного диска, окружающего вращающуюся черную дыру Керра — полный аккреционный диск, включая область погружения.
Исследователи говорят, что этот сценарий представляет собой первое надежное обнаружение излучения из погружающейся области на внутреннем крае аккреционного диска черной дыры; они называют такие сигналы «внутри-ISCO-излучениями». Эти внутри-ISCO-излучения подтверждают точность общей теории относительности в описании областей, непосредственно окружающих черные дыры.
Чтобы продолжить это исследование, отдельная группа из Оксфордского факультета физики сотрудничает с европейской инициативой по созданию Африканского миллиметрового телескопа. Этот телескоп должен расширить возможности ученых по получению прямых изображений черных дыр и позволить исследовать погружающиеся области более далеких черных дыр.
«Что действительно интересно, так это то, что в галактике много черных дыр, и теперь у нас есть новый мощный метод их использования для изучения самых сильных известных гравитационных полей», — заключил Маммери.
Физики считают черные дыры одними из самых загадочных объектов, которые существуют. По иронии судьбы, они также считаются одними из самых простых. В течение многих лет физики, пытались доказать, что черные дыры сложнее, чем кажутся.
Исследования 1970-х годов показывают, что можно всесторонне описать черную дыру, используя всего три физических атрибута – их массу, заряд и спин. Все остальные свойства этих массивных умирающих звезд, такие как их подробный состав, плотность и температурные профили, исчезают, когда они превращаются в черную дыру. Вот насколько они просты.
Идея о том, что черные дыры имеют только три атрибута, называется теоремой об «отсутствии волос», подразумевающей, что у них нет никаких «волосатых» деталей, которые делают их сложными.
Десятилетиями исследователи в астрофизическом сообществе использовали лазейки или обходные пути в рамках предположений теоремы об отсутствии волос, чтобы придумать потенциальные сценарии волосатой черной дыры. Волосатая черная дыра имеет физическое свойство, которое ученые могут измерить – в принципе – которое выходит за рамки ее массы, заряда или спина. Это свойство должно быть постоянной частью ее структуры.
Около десяти лет назад Стефанос Аретакис, физик, работающий в настоящее время в Университете Торонто, математически показал, что черная дыра, содержащая максимальный заряд, который она может удерживать, — называемая экстремально заряженной черной дырой — разовьет «волосы» на своем горизонте. Горизонт черной дыры — это граница, за пределы которой не может выйти ничего, что ее пересекает, даже свет.
Космические аппараты LISA наблюдают гравитационные волны от удаленного источника, вращаясь вокруг Солнца. Саймон Барк/Университет Флориды, CC BY
Анализ Аретакиса был скорее мысленным экспериментом с использованием сильно упрощенного физического сценария, так что это не то, что ученые ожидают наблюдать астрофизически. Но сверхзаряженные черные дыры могут быть не единственным видом, который может иметь волосы.
Поскольку известно, что астрофизические объекты, такие как звезды и планеты, вращаются, ученые ожидают, что черные дыры также будут вращаться, основываясь на том, как они формируются. Астрономические данные показали, что черные дыры действительно имеют спин, хотя исследователи не знают, каково типичное значение спина для астрофизической черной дыры.
Гравитационная волна — это крошечное возмущение пространства-времени, обычно вызываемое бурными астрофизическими событиями во Вселенной. Столкновения компактных астрофизических объектов, таких как черные дыры и нейтронные звезды, испускают сильные гравитационные волны. Международная сеть гравитационных обсерваторий, включая Лазерно-интерферометрическую гравитационно-волновую обсерваторию в Соединенных Штатах, регулярно обнаруживает эти волны.
Иллюстрация сверхмассивной черной дыры. NASA/JPL
В январе 2024 года Европейское космическое агентство официально приняло миссию LISA (космическая лазерная интерферометрическая антенна), которая будет искать гравитационные волны. Запуск запланирован в 2035 году. LISA состоит из трех космических аппаратов, сконфигурированных в виде идеального равностороннего треугольника, который будет следовать за Землей вокруг Солнца. Космические аппараты будут находиться на расстоянии 1,6 миллиона миль (2,5 миллиона километров) друг от друга, и они будут обмениваться лазерными лучами, чтобы измерить расстояние друг между другом с точностью до одной миллиардной дюйма.
LISA обнаружит гравитационные волны от сверхмассивных черных дыр, которые в миллионы или даже миллиарды раз массивнее нашего Солнца. Он построит карту пространства-времени вокруг вращающихся черных дыр, что поможет физикам понять, как работает гравитация в непосредственной близости от черных дыр с беспрецедентной точностью. Физики надеются, что LISA также сможет измерить любые волосатые атрибуты, которые могут быть у черных дыр.
Вы когда-нибудь задумывались, что происходит, когда вы падаете в черную дыру? Теперь, благодаря новой захватывающей визуализации, созданной на суперкомпьютере NASA, зрители могут погрузиться в горизонт событий, точку невозврата черной дыры.
«Люди часто спрашивают об этом, и моделирование этих трудновообразимых процессов помогает мне связать математику относительности с реальными последствиями в реальной Вселенной», — сказал Джереми Шниттман, астрофизик из Центра космических полетов имени Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд, создавший визуализации. «Поэтому я смоделировал два разных сценария: один, в котором камера — дублер смелого астронавта — просто не попадает в горизонт событий и отскакивает назад, и другой, в котором она пересекает границу, решая свою судьбу».
Визуализации доступны в нескольких формах. Видеоролики-объяснения выступают в качестве экскурсионных гидов, освещая странные эффекты общей теории относительности Эйнштейна. Версии, представленные в виде 360-градусных видео, позволяют зрителям осматриваться во время поездки, в то время как другие воспроизводятся как плоские карты всего неба.
Для создания визуализаций Шниттман объединился с коллегой-ученым Годдарда Брайаном Пауэллом и использовал суперкомпьютер Discover в Центре климатического моделирования NASA. Проект сгенерировал около 10 терабайт данных — что эквивалентно примерно половине предполагаемого текстового контента в Библиотеке Конгресса — и занял около 5 дней работы всего на 0,3% из 129 000 процессоров Discover. На тот же подвиг у обычного ноутбука ушло бы более десяти лет.
Целью является сверхмассивная черная дыра, масса которой в 4,3 миллиона раз превышает массу нашего Солнца, что эквивалентно монстру, расположенному в центре нашей галактики Млечный Путь.
«Если у вас есть выбор, вы хотите упасть в сверхмассивную черную дыру», — объяснил Шниттман. «Черные дыры звездной массы, которые содержат до 30 солнечных масс, обладают гораздо меньшими горизонтами событий и более сильными приливными силами, которые могут разорвать приближающиеся объекты до того, как они достигнут горизонта».
Это происходит потому, что гравитационное притяжение на конце объекта, который ближе к черной дыре, намного сильнее, чем на другом конце. Падающие объекты растягиваются как лапша, этот процесс астрофизики называют спагеттификацией.
Горизонт событий смоделированной черной дыры охватывает около 16 миллионов миль (25 миллионов километров), или около 17% расстояния от Земли до Солнца. Плоское, закрученное облако горячего, светящегося газа, называемое аккреционным диском, окружает его и служит визуальным ориентиром во время падения. То же самое делают светящиеся структуры, называемые фотонными кольцами, которые формируются ближе к черной дыре из света, который облетел ее один или несколько раз. Фон звездного неба, видимого с Земли, завершает сцену.
По мере того, как камера приближается к черной дыре, достигая скоростей, все более близких к скорости света, свечение аккреционного диска и фоновых звезд усиливается примерно так же, как звук приближающегося гоночного автомобиля становится выше по тону. Их свет кажется ярче и белее, если смотреть в направлении движения.
Фильмы начинаются с камеры, расположенной на расстоянии почти 400 миллионов миль (640 миллионов километров), и черная дыра быстро заполняет поле зрения. По пути диск черной дыры, фотонные кольца и ночное небо становятся все более искаженными — и даже формируют множественные изображения, поскольку их свет пересекает все более искривленное пространство-время.
В реальном времени камера падает до горизонта событий примерно за 3 часа, совершая по пути почти два полных 30-минутных оборота. Но для любого наблюдателя издалека она никогда не доберется туда. Поскольку пространство-время становится все более искаженным ближе к горизонту, изображение камеры замедляется, а затем, кажется, застывает прямо перед ним. Вот почему астрономы изначально называли черные дыры «замороженными звездами».
На горизонте событий даже само пространство-время течет внутрь со скоростью света, космическим пределом скорости. Оказавшись внутри него, и камера, и пространство-время, в котором она движется, устремляются к центру черной дыры — одномерной точке, называемой сингулярностью, где законы физики, какими мы их знаем, перестают действовать.
«Как только камера пересекает горизонт, ее разрушение спагеттификацией происходит всего через 12,8 секунды», — сказал Шниттман. Оттуда до сингулярности всего 79 500 миль (128 000 километров). Этот последний этап путешествия заканчивается в мгновение ока.
В альтернативном сценарии камера движется по орбите близко к горизонту событий, но никогда не пересекает его и не убегает в безопасное место. Если бы астронавт управлял космическим кораблем в этом 6-часовом круговом путешествии, пока ее коллеги на корабле-носителе оставались бы далеко от черной дыры, она вернулась бы на 36 минут моложе своих коллег. Это потому, что время течет медленнее вблизи сильного гравитационного источника и при движении со скоростью, близкой к скорости света.