Kiekvienas su astronomija susipažinęs žmogus anksčiau ar vėliau išgyvena stiprų smalsumą apie paslaptingiausius Visatos objektus – juodąsias skyles. Tai tikri tamsos valdovai, galintys „praryti“ bet kurį šalia einantį atomą ir neleisti ištrūkti net šviesai – jų trauka tokia galinga. Šie objektai yra tikras iššūkis fizikams ir astronomams. Pirmieji dar negali suprasti, kas atsitinka su materija, patekusia į juodąją skylę, o antrieji, nors daugiausia energijos sunaudojančius reiškinius erdvėje aiškina juodųjų skylių egzistavimu, niekada neturėjo galimybės nė vieno iš jų stebėti. tiesiogiai. Papasakosime apie šiuos įdomius dangaus objektus, išsiaiškinsime, kas jau atrasta ir ko dar reikia išmokti, norint pakelti paslapties šydą.
Kas yra juodoji skylė?
Pavadinimą „juodoji skylė“ (anglų kalba - juodoji skylė) 1967 metais pasiūlė amerikiečių fizikas teorinis Johnas Archibaldas Wheeleris (žr. nuotrauką kairėje). Jis buvo skirtas dangaus kūnui, kurio trauka yra tokia stipri, kad net šviesa nepaleidžia savęs. Štai kodėl jis yra „juodas“, nes neskleidžia šviesos.
Netiesioginiai stebėjimai
Tai ir yra tokios paslapties priežastis: kadangi juodosios skylės nešviečia, mes negalime jų matyti tiesiogiai ir esame priversti jas ieškoti ir tyrinėti pasitelkdami tik netiesioginius įrodymus, kad jų egzistavimas palieka aplinkinę erdvę. Kitaip tariant, jei juodoji skylė praryja žvaigždę, mes nematome juodosios skylės, bet galime stebėti niokojantį galingo gravitacinio lauko poveikį.
Laplaso intuicija
Nors posakis „juodoji skylė“, reiškiantis hipotetinį galutinį žvaigždės, kuri subyrėjo į save gravitacijos įtakoje, evoliucijos etapą, yra palyginti neseniai, mintis apie tokių kūnų egzistavimą kilo daugiau nei du prieš šimtmečius. Anglas Johnas Michellas ir prancūzas Pierre'as-Simonas de Laplasas savarankiškai iškėlė hipotezę apie „nematomų žvaigždžių“ egzistavimą; tuo pat metu jie buvo pagrįsti įprastais dinamikos dėsniais ir Niutono visuotinės gravitacijos dėsniu. Šiandien juodosios skylės gavo teisingą aprašymą, pagrįstą Einšteino bendra reliatyvumo teorija.
Savo darbe „Pasaulio sistemos ekspozicija“ (1796 m.) Laplasas rašė: „Šviesi žvaigždė, kurios tankis yra toks pat kaip ir Žemė, kurios skersmuo 250 kartų didesnis už Saulės skersmenį, dėl savo gravitacinio poveikio trauką, neleiskite šviesos spinduliams pasiekti mus. Todėl gali būti, kad dėl šios priežasties didžiausi ir ryškiausi dangaus kūnai yra nematomi.
Nenugalima gravitacija
Laplaso idėja buvo pagrįsta pabėgimo greičio (antrojo kosminio greičio) koncepcija. Juodoji skylė yra toks tankus objektas, kad jos trauka gali sulaikyti net didžiausią greitį gamtoje išvystančią šviesą (beveik 300 000 km/s). Praktiškai norint ištrūkti iš juodosios skylės reikia didesnio greičio nei šviesos greitis, bet tai neįmanoma!
Tai reiškia, kad tokio tipo žvaigždė bus nematoma, nes net šviesa negalės įveikti savo galingos gravitacijos. Einšteinas šį faktą paaiškino šviesos lenkimo reiškiniu veikiant gravitaciniam laukui. Iš tikrųjų šalia juodosios skylės erdvėlaikis yra taip išlenktas, kad šviesos spindulių trajektorijos taip pat užsidaro. Kad Saulę paverstume juodąja skyle, visą jos masę turėsime sutelkti į 3 km spindulio rutulį, o Žemė – 9 mm spindulio kamuoliuku!
Juodųjų skylių tipai
Maždaug prieš dešimt metų stebėjimai rodė dviejų tipų juodųjų skylių egzistavimą: žvaigždinių, kurių masė prilygsta Saulės masei arba ją šiek tiek viršija, ir supermasyviųjų, kurių masė svyruoja nuo kelių šimtų tūkstančių iki daugelio milijonų saulės masių. Tačiau palyginti neseniai rentgeno vaizdai ir didelės raiškos spektrai, gauti iš dirbtinių palydovų, tokių kaip Chandra ir XMM-Newton, iškėlė trečią juodosios skylės tipą – kurių vidutinė masė tūkstančius kartų viršija Saulės masę. .
Žvaigždžių juodosios skylės
Žvaigždžių juodosios skylės tapo žinomos anksčiau nei kitos. Jie susidaro, kai didelės masės žvaigždė, savo evoliucijos kelio pabaigoje, išeikvoja branduolinio kuro atsargas ir dėl savo gravitacijos subyra į save. Žvaigždę sukrėtęs sprogimas (šis reiškinys žinomas kaip „supernovos sprogimas“) turi katastrofiškų pasekmių: jei žvaigždės šerdis yra daugiau nei 10 kartų didesnė už Saulės masę, jokia branduolinė jėga negali atlaikyti gravitacinio griūties, dėl kurios įvyks juodosios skylės sukūrimas.
Supermasyvios juodosios skylės
Supermasyvios juodosios skylės, pirmiausia pastebėtos kai kurių aktyvių galaktikų branduoliuose, turi skirtingą kilmę. Yra kelios hipotezės dėl jų gimimo: žvaigždžių juodoji skylė, kuri per milijonus metų suryja visas aplink esančias žvaigždes; susiliejančių juodųjų skylių spiečius; kolosalus dujų debesis, griūvantis tiesiai į juodąją skylę. Šios juodosios skylės yra vieni energingiausių kosmoso objektų. Jie yra daugelio, jei ne visų, galaktikų centruose. Mūsų galaktika taip pat turi tokią juodąją skylę. Kartais dėl tokios juodosios skylės buvimo šių galaktikų šerdys tampa labai ryškios. Galaktikos, kurių centre yra juodosios skylės, apsuptos didelio kiekio krintančios medžiagos ir todėl galinčios gaminti milžiniškus energijos kiekius, vadinamos „aktyviosiomis“, o jų branduoliai – „aktyviais galaktikos branduoliais“ (AGN). Pavyzdžiui, kvazarai (tolimiausi nuo mūsų kosminiai objektai, pasiekiami mūsų stebėjimui) yra aktyvios galaktikos, kuriose matome tik labai ryškią šerdį.
Vidutinis ir mini
Kita paslaptis tebėra vidutinės masės juodosios skylės, kurios, remiantis naujausiais tyrimais, gali būti kai kurių rutulinių spiečių, tokių kaip M13 ir NCC 6388, centre. Daugelis astronomų skeptiškai vertina šiuos objektus, tačiau kai kurie nauji tyrimai rodo, kad jų yra. vidutinio dydžio juodosios skylės net netoli mūsų Galaktikos centro. Anglų fizikas Stephenas Hawkingas taip pat pateikė teorinę prielaidą apie ketvirtojo tipo juodosios skylės egzistavimą - „mini skylę“, kurios masė yra tik milijardas tonų (kuri yra maždaug lygi didelio kalno masei). Kalbame apie pirminius objektus, tai yra tuos, kurie atsirado pirmosiomis Visatos gyvavimo akimirkomis, kai slėgis dar buvo labai didelis. Tačiau dar nebuvo aptiktas nė vienas jų egzistavimo pėdsakas.
Kaip rasti juodąją skylę
Vos prieš kelerius metus virš juodųjų skylių užsidegė šviesa. Dėl nuolat tobulėjančių instrumentų ir technologijų (tiek antžeminių, tiek kosminių) šie objektai tampa vis mažiau paslaptingi; tiksliau, juos supanti erdvė tampa ne tokia paslaptinga. Tiesą sakant, kadangi pati juodoji skylė yra nematoma, galime ją atpažinti tik tada, kai ją supa pakankamai medžiagos (žvaigždžių ir karštų dujų), skriejančios aplink ją nedideliu atstumu.
Dvejetainių sistemų stebėjimas
Kai kurios žvaigždžių juodosios skylės buvo aptiktos stebint žvaigždės orbitinį judėjimą aplink nematomą kompanionę dvejetainėje sistemoje. Artimos dvejetainės sistemos (ty susidedančios iš dviejų labai arti viena kitos esančios žvaigždės), kuriose vienas iš palydovų yra nematomas, yra mėgstamiausias juodųjų skylių ieškančių astrofizikų stebėjimo objektas.
Juodosios skylės (arba neutroninės žvaigždės) buvimo požymis yra stipri rentgeno spinduliuotė, kurią sukelia sudėtingas mechanizmas, kurį galima schematiškai apibūdinti taip. Dėl galingos gravitacijos juodoji skylė gali išplėšti materiją iš žvaigždės kompanionės; šios dujos pasklinda į plokščią diską ir spirale teka žemyn į juodąją skylę. Trintis, atsirandanti dėl krintančių dujų dalelių susidūrimo, vidinius disko sluoksnius įkaitina iki kelių milijonų laipsnių, o tai sukelia galingą rentgeno spinduliuotę.
Stebėjimai rentgeno spinduliais
Keletą dešimtmečių atlikti mūsų galaktikos ir gretimų galaktikų objektų rentgeno spinduliuotės stebėjimai leido aptikti kompaktiškus dvejetainius šaltinius, iš kurių maždaug dešimtys yra sistemos, kuriose yra juodosios skylės kandidatų. Pagrindinė problema yra nematomo dangaus kūno masės nustatymas. Masę (nors ir nelabai tikslią) galima sužinoti ištyrus palydovo judėjimą arba, daug sunkiau, išmatavus krintančios medžiagos rentgeno spinduliuotės intensyvumą. Šis intensyvumas yra susietas su lygtimi su kūno, ant kurio patenka ši medžiaga, mase.
Nobelio premijos laureatas
Kažką panašaus galima pasakyti apie supermasyvias juodąsias skyles, pastebėtas daugelio galaktikų šerdyje, kurių masės apskaičiuojamos matuojant į juodąją skylę patenkančių dujų orbitos greitį. Šiuo atveju, dėl labai didelio objekto galingo gravitacinio lauko, spartus dujų debesų, skriejančių galaktikų centre, greičio padidėjimas aptinkamas stebėjimais radijo diapazone, taip pat ir optiniuose spinduliuose. Stebėjimai rentgeno spindulių diapazone gali patvirtinti padidėjusį energijos išsiskyrimą, kurį sukelia medžiaga, patenkanti į juodąją skylę. Rentgeno spindulių tyrimus septintojo dešimtmečio pradžioje pradėjo JAV dirbęs italas Riccardo Giacconi. Jo Nobelio premija 2002 m. buvo pripažinta jo „novatorišku indėliu į astrofiziką, padedantį atrasti rentgeno spindulių šaltinius kosmose“.
Cygnus X-1: pirmasis kandidatas
Mūsų galaktika nėra apsaugota nuo galimų juodosios skylės objektų buvimo. Laimei, nė vienas iš šių objektų nėra pakankamai arti mūsų, kad keltų grėsmę Žemės ar Saulės sistemos egzistavimui. Nepaisant daugybės kompaktiškų rentgeno spindulių šaltinių, kurie buvo nustatyti (ir tai yra labiausiai tikėtini juodųjų skylių kandidatai), mes netikime, kad juose iš tikrųjų yra juodųjų skylių. Vienintelis iš šių šaltinių, neturintis alternatyvios versijos, yra artima dvejetainė sistema Cygnus X-1, tai yra ryškiausias Rentgeno spinduliuotės šaltinis Cygnus žvaigždyne.
Masyvios žvaigždės
Šią sistemą, kurios orbitinis periodas yra 5,6 dienos, sudaro labai ryškiai mėlyna didelio dydžio žvaigždė (jos skersmuo yra 20 kartų didesnis nei Saulės, o masė apie 30 kartų didesnė), lengvai matoma net jūsų teleskopu. ir nematoma antroji žvaigždė, kurios masė įvertinta keliomis Saulės masėmis (iki 10). Už 6500 šviesmečių esanti antroji žvaigždė būtų puikiai matoma, jei tai būtų paprasta žvaigždė. Jo nematomumas, sistemos sukuriama galinga rentgeno spinduliuotė ir galiausiai masės įvertinimas verčia daugumą astronomų manyti, kad tai pirmasis patvirtintas žvaigždžių juodosios skylės atradimas.
Abejonės
Tačiau yra ir skeptikų. Tarp jų – vienas didžiausių juodųjų skylių tyrinėtojų, fizikas Stephenas Hawkingas. Jis netgi sudarė lažybas su savo kolega amerikiečiu Keeliu Thorne'u, karštu šalininku, kad Cygnus X-1 objektas būtų priskirtas juodajai skylei.
Diskusijos dėl Cygnus X-1 objekto tapatybės nėra vienintelis Hawkingo statymas. Kelerius devynerius metus skyręs teoriniams juodųjų skylių tyrimams, jis įsitikino savo ankstesnių idėjų apie šiuos paslaptingus objektus klaidingumu. Visų pirma, Hawkingas manė, kad materija, patekusi į juodąją skylę, išnyksta amžiams, o kartu ir visa tai. dingsta jo informacinis bagažas. Jis buvo tuo įsitikinęs, kad 1997 m. su savo kolega amerikiečiu Johnu Preskillu sudarė lažybas šia tema.
Pripažinti klaidą
2004 m. liepos 21 d. savo kalboje Reliatyvumo teorijos kongrese Dubline Hawkingas pripažino, kad Preskill buvo teisus. Juodosios skylės nesukelia visiško materijos išnykimo. Be to, jie turi tam tikrą „atmintį“. Juose gali būti pėdsakų to, ką jie suvartojo. Taigi, „garuodami“ (tai yra lėtai skleisdami spinduliuotę dėl kvantinio efekto), jie gali grąžinti šią informaciją į mūsų Visatą.
Juodosios skylės galaktikoje
Astronomai vis dar turi daug abejonių, ar mūsų galaktikoje yra žvaigždžių juodųjų skylių (kaip tos, kurios priklauso dvejetainei sistemai Cygnus X-1); tačiau daug mažiau abejonių kyla dėl supermasyvių juodųjų skylių.
Centre
Mūsų galaktikoje yra bent viena supermasyvi juodoji skylė. Jo šaltinis, žinomas kaip Šaulys A*, yra tiksliai lokalizuotas Paukščių Tako plokštumos centre. Jo pavadinimas paaiškinamas tuo, kad tai yra galingiausias radijo šaltinis Šaulio žvaigždyne. Būtent šia kryptimi yra mūsų galaktikos sistemos geometriniai ir fiziniai centrai. Maždaug už 26 000 šviesmečių esančios supermasyvios juodosios skylės, susijusios su radijo bangų šaltiniu Sagittarius A*, masė yra maždaug 4 milijonai Saulės masių, esančios erdvėje, kurios tūris yra panašus į Saulės sistemos tūrį. Dėl santykinio artumo mums (ši supermasyvi juodoji skylė, be jokios abejonės, yra arčiausiai Žemės), pastaraisiais metais objektą ypač nuodugniai ištyrė Chandra kosmoso observatorija. Paaiškėjo, kad tai taip pat galingas rentgeno spinduliuotės šaltinis (bet ne toks galingas kaip aktyvių galaktikos branduolių šaltiniai). Šaulys A* gali būti snaudžianti liekana to, kas buvo aktyvi mūsų galaktikos šerdis prieš milijonus ar milijardus metų.
Antroji juodoji skylė?
Tačiau kai kurie astronomai mano, kad mūsų galaktikoje yra dar vienas netikėtumas. Kalbame apie antrąją vidutinės masės juodąją skylę, kuri sujungia jaunų žvaigždžių spiečius ir neleidžia joms patekti į supermasyvią juodąją skylę, esančią pačioje Galaktikos centre. Kaip gali būti, kad mažesniu nei vienerių šviesmečių atstumu nuo jo gali būti žvaigždžių spiečius, kuriam vos 10 milijonų metų, tai yra, astronominiais standartais, labai jauna? Tyrėjų teigimu, atsakymas yra toks, kad klasteris gimė ne ten (aplinka aplink centrinę juodąją skylę per daug priešiška žvaigždžių formavimuisi), o buvo ten „ištraukta“ dėl to, kad jame buvo antroji juodoji skylė, turi vidutinę masę.
Orbitoje
Pavienės spiečiaus žvaigždės, pritrauktos supermasyvios juodosios skylės, pradėjo judėti link galaktikos centro. Tačiau užuot išsisklaidę į erdvę, jie lieka susikaupę dėl antrosios juodosios skylės, esančios klasterio centre, gravitacinės traukos. Šios juodosios skylės masę galima apskaičiuoti pagal jos gebėjimą laikyti visą žvaigždžių spiečius už pavadėlio. Atrodo, kad vidutinio dydžio juodoji skylė aplink centrinę juodąją skylę apskrieja maždaug 100 metų. Tai reiškia, kad ilgalaikiai daugelio metų stebėjimai leis mums tai „pamatyti“.
Juodoji skylė yra astronominė erdvės ir laiko sritis, kurioje gravitacinė trauka linkusi į begalybę. Norėdami pabėgti iš juodosios skylės, objektai turi pasiekti greitį daug didesnį nei šviesos greitis. Ir kadangi tai neįmanoma, iš juodosios skylės srities neišspinduliuoja net pačios šviesos kvantai. Iš viso to išplaukia, kad juodosios skylės sritis yra visiškai nematoma stebėtojui, nesvarbu, kaip toli ji nuo jo yra. Todėl aptikti ir nustatyti juodųjų skylių dydį bei masę galima tik išanalizavus šalia jų esančių objektų situaciją ir elgesį.
20-ajame reliatyvistinės astrofizikos simpoziume Teksase 2001 m. astronomai Carlas Gebhardtas ir Johnas Kormendy atliko praktinius netoliese esančių juodųjų skylių masių matavimus, suteikdami astronomams galimybę gauti informacijos apie juodųjų skylių augimą. Naudojant šį metodą, be 19 jau žinomų tuo metu, buvo sukurta 19 naujų juodųjų skylių. Visos jos yra supermasyvios ir sveria nuo vienos iki milijardo saulės masių. Jie yra galaktikų centruose.
Masės matavimo metodas pagrįstas žvaigždžių ir dujų judėjimo šalia jų galaktikų centrų stebėjimu. Tokius matavimus galima atlikti tik esant didelei erdvinei raiškai, kurią gali atlikti kosminiai teleskopai, tokie kaip Hablas ar NuSTAR. Metodo esmė – išanalizuoti kvazarų kintamumą ir didžiulių dujų cirkuliaciją aplink skylę. Besisukančių dujų debesų spinduliuotės ryškumas tiesiogiai priklauso nuo juodosios skylės rentgeno spindulių energijos. Kadangi šviesa turi griežtai apibrėžtą greitį, dujų debesų ryškumo pokyčiai stebėtojui matomi vėliau nei centrinio spinduliuotės šaltinio ryškumo pokytis. Naudojant laiko skirtumą, apskaičiuojamas atstumas nuo dujų debesų iki juodosios skylės centro. Kartu su dujų debesų sukimosi greičiu apskaičiuojama ir juodosios skylės masė. Tačiau šis metodas susijęs su neapibrėžtumu, nes nėra galimybės patikrinti galutinio rezultato teisingumo. Kita vertus, šiuo metodu gauti duomenys atitinka ryšį tarp juodųjų skylių masių ir galaktikų masių.
Einšteino šiuolaikinio Schwarzschildo pasiūlytas klasikinis juodosios skylės masės matavimo metodas apibūdinamas formule M=r*c^2/2G, kur r – juodosios skylės gravitacinis spindulys, c – šviesos greitis. , G yra gravitacinė konstanta. Tačiau šis tiksliai apibūdina izoliuotos, nesisukančios, neįkrautos ir negaruojančios juodosios skylės masę.
Visiškai naujas juodųjų skylių masių nustatymo būdas, kuris leido atrasti ir ištirti „vidutines“ juodąsias skyles. Jis pagrįstas čiurkšlių radijo trukdžių analize – medžiagos išmetimu, susidariusiu juodajai skylei sugėrus masę iš ją supančio disko. Purkštukų greitis gali būti didesnis nei pusė šviesos greičio. O kadangi iki tokių greičių įsibėgėjusi masė skleidžia rentgeno spindulius, ją galima užfiksuoti radijo interferometru. Tokių purkštukų matematinio modeliavimo metodas leidžia gauti tikslesnes juodųjų skylių vidutinių masių vertes.
Praėjusių metų liepą žurnale „Nature“ buvo paskelbtas Tulūzos universiteto darbuotojų vadovaujamos mokslininkų grupės straipsnis, kuriame buvo ieškoma itin galingų rentgeno spindulių šaltinių – objektų, kurių šviesumas viršija didžiausią įmanomą žvaigždžių masės šviesumą; objektų. Naudodami stebėjimus iš Europos kosmoso agentūros (ESA) Niutono rentgeno kosminio teleskopo, mokslininkai atrado ESO 243-29 galaktikoje, kuri yra nutolusi 300 milijonų šviesmečių (o Saulės šviesa Žemę pasiekia per 8 minutes, ir iš arčiausiai daugiau nei ketverius metus pas mus atkeliavo ne Saulės žvaigždė), labai ryškus rentgeno šaltinis. Didžiausias šio objekto šviesumas yra 1.1.10 42 erg/s, o tai, pavyzdžiui, 260 milijonų kartų viršija Saulės šviesumą rentgeno spindulių diapazone. Šaltinis buvo pavadintas HLX-1 (Hyper-Luminous X-ray source 1), kuris verčiamas kaip „hipergalingas rentgeno šaltinis numeris vienas“.
Ryškumo įvertinimas leido mokslininkams daryti prielaidą, kad šis objektas yra juodoji skylė, sverianti mažiausiai 500 saulės masių.
Iki šiol astronomai stebėjo tik dviejų tipų juodąsias skyles – vienos supermasyvios, o kitos turinčios žvaigždžių masę.
Vienas iš jų yra juodosios skylės, kurių masė prilygsta žvaigždžių masėms (3-20 saulės masių). Šios skylės atsiranda masyvių žvaigždžių gyvavimo pabaigoje, o astronomai šiuo metu žino kelias dešimtis tokių objektų. Tačiau yra žinomos daug daugiau supermasyvių juodųjų skylių (kurių masė yra apie 10 9 saulės masės ir daugiau) – jų skaičius jau viršijo tūkstantį. Tai nesunkiai paaiškinama tuo, kad astronomai žino, kur tokių skylių ieškoti: jos yra galaktikų branduoliuose.
Remiantis gana paplitusia teorija, supermasyvios juodosios skylės susidaro susiliejus mažesnės masės juodosioms skylėms. Tačiau vidutinės masės juodosios skylės niekada nebuvo aptiktos, o šia kryptimi dirbantys mokslininkai iki šiol neturėjo kuo pasigirti, išskyrus keletą niekuo neišsiskiriančių kandidatų.
Per pastaruosius metus mokslininkai atliko naujų stebėjimų ir patvirtino savo prielaidas, kad HLX-1 yra tarpinės masės juodoji skylė.
Tyrimo metu mokslininkai stebėjo HLX-1 Čilėje esančios Europos pietinės observatorijos (ESO) VLT teleskopu. Naudodami optinius stebėjimus, jie sugebėjo nustatyti tikslų atstumą iki objekto ir patvirtinti, kad jis „iš tikrųjų yra šioje galaktikoje ir nėra nei žvaigždė, nei foninis šaltinis“.
„Po ankstesnio darbo mes tikrai norėjome išsiaiškinti, ar mūsų siūlomas modelis yra teisingas“, – sakė pagrindinis šio straipsnio autorius Klaasas Wiersema. „Didžiųjų teleskopų vaizduose matėme nedidelį optinį šaltinį mūsų rentgeno objekto vietoje. VLT stebėjimai patvirtino, kad ši optinė spinduliuotė yra susijusi su HLX-1. Nustatėme tikslų atstumą iki objekto ir patvirtinome, kad ten yra juodoji skylė. Dabar norime išsiaiškinti, kodėl šis šaltinis taip ryškiai šviečia rentgeno spinduliuose ir kaip jis pateko į didesnę galaktiką.
Anksčiau buvo manoma, kad tokie ryškūs kaip HLX-1 rentgeno spindulių šaltiniai negali būti tokie ryškūs, nes juodoji skylė turi sugerti didžiąją dalį pro ją praeinančios šviesos.
„Labai sunku paaiškinti šio objekto fiziką be juodosios skylės, kurios vidutinė masė yra nuo 500 iki 10 000 saulės masių“, – sako vienas iš straipsnio autorių Seanas Farrellas. „Taigi, bet tik kol kas, HLX-1 šaltinio tarptautinė astronomijos bendruomenė negali kontroliuoti.
Mokslininkų ateities planuose yra stebėjimai su Hablo kosminiu teleskopu ir bandymas rasti kitų šaltinių, panašių į HLX-1.
Juodosios skylės Visatoje
Juodoji skylė yra kosminis objektas, susidarantis neriboto gravitacinio masyvių kosminių kūnų suspaudimo (gravitacinio kolapso) metu. Šių objektų egzistavimą numato bendroji reliatyvumo teorija. Patį terminą „juodoji skylė“ į mokslą įvedė amerikiečių fizikas Johnas Wheeleris 1968 m., norėdamas apibūdinti žlugusią žvaigždę.
Juodoji skylė yra erdvė erdvėje, atsirandanti dėl visiško gravitacinio materijos griūties, kurioje gravitacinė trauka yra tokia stipri, kad nei materija, nei šviesa, nei kiti informacijos nešėjai negali iš jos išeiti. Todėl juodosios skylės vidus nėra priežastiniu ryšiu susijęs su likusia Visatos dalimi; Fiziniai procesai, vykstantys juodosios skylės viduje, negali turėti įtakos procesams už jos ribų. Juodąją skylę supa paviršius, turintis vienkryptės membranos savybę: pro ją medžiaga ir spinduliuotė laisvai patenka į juodąją skylę, tačiau iš ten niekas negali ištrūkti. Šis paviršius vadinamas „įvykių horizontu“. Kadangi vis dar yra tik netiesioginių požymių, kad juodosios skylės egzistuoja tūkstančius šviesmečių atstumu nuo Žemės, mūsų tolesnis pristatymas daugiausia grindžiamas teoriniais rezultatais.
Astronomai padarė išvadą, kad juodosios skylės negimsta didžiulės, o palaipsniui auga galaktikų dujų ir žvaigždžių sąskaita. Duomenys rodo, kad milžiniškos juodosios skylės atsirado ne prieš galaktikų gimimą, o išsivystė kartu su jomis, sugerdamos tam tikrą procentą žvaigždžių ir dujų masės centriniame galaktikos regione. Tai reiškia, kad mažesnėse galaktikose juodosios skylės yra mažiau masyvios, o jų masė yra šiek tiek didesnė nei keli milijonai saulės masių. Juodosiose skylėse milžiniškų galaktikų centruose yra milijardai saulės masių. Reikalas tas, kad galutinė juodosios skylės masė susidaro formuojantis galaktikai. Kai kuriais atvejais juodosios skylės didėja ne tik sunaudodamos dujas iš atskiros galaktikos, bet ir susiliedamos galaktikoms, todėl jų juodosios skylės susilieja.
Juodųjų skylių susidarymas
Juodosios skylės susidaro žlugus milžiniškoms neutroninėms žvaigždėms, kurių masė didesnė nei 3 Saulės masės. Suspaudus jų gravitacinis laukas tampa vis tankesnis. Galiausiai žvaigždė susitraukia tiek, kad šviesa nebegali įveikti savo gravitacijos. Spindulys, iki kurio žvaigždė turi susitraukti, kad taptų juodąja skyle, vadinamas gravitaciniu spinduliu. Masyvioms žvaigždėms tai keliasdešimt kilometrų. Kadangi juodosios skylės nešviečia, vienintelis būdas jas įvertinti yra stebėti jų gravitacinio lauko poveikį kitiems kūnams. Yra netiesioginių įrodymų, kad juodosios skylės egzistuoja daugiau nei 10-yje arti rentgeno spindulių dvinarių žvaigždžių. Tai patvirtina, pirma, tai, kad nėra žinomų kieto paviršiaus apraiškų, būdingų rentgeno pulsarui arba rentgeno spindulių sprogdintuvui, ir, antra, didelė dvejetainės sistemos nematomo komponento masė (daugiau nei 3). saulės masės). Vienas iš labiausiai tikėtinų juodųjų skylių kandidatų yra ryškiausias Rentgeno spindulių šaltinis Cygnus žvaigždyne – Cygnus X-1.
Remiantis šiuolaikinėmis koncepcijomis, yra keturi juodosios skylės susidarymo scenarijai:
1. Gana masyvios žvaigždės (daugiau nei 3,6 Saulės masės) gravitacinis kolapsas (katastrofiškas suspaudimas) paskutiniame jos evoliucijos etape.
2. Galaktikos centrinės dalies arba progalaktinių dujų griūtis. Pagal dabartines idėjas daugelio, jei ne visų, spiralinių ir elipsinių galaktikų centre yra didžiulė juodoji skylė. Pavyzdžiui, mūsų 3. 3. 3. Galaktikos centre yra 4,31x10 6 M masės juodoji skylė Šaulys A*, aplink kurią sukasi mažesnė juodoji skylė.
4. Juodųjų skylių susidarymas Didžiojo sprogimo momentu dėl gravitacinio lauko ir (arba) materijos svyravimų. Tokios juodosios skylės vadinamos pirmykštėmis.
Juodųjų skylių evoliucija
Mokslininkai turi tvirtų įrodymų, kad egzistuoja dvi skirtingos juodųjų skylių klasės: pirmoji yra juodosios skylės, kurių žvaigždžių masė yra maždaug 10 kartų didesnė už Saulę, antroji yra supermasyvios juodosios skylės, esančios galaktikų centre ir kurių masė svyruoja nuo šimtų. nuo tūkstančių iki milijardų saulės masių. Tačiau kaip susidaro ir egzistuoja vidutinės masės juodosios skylės, lieka paslaptis? Mes kalbame apie vadinamąsias juodąsias skyles, kurių vidutinė masė yra nuo 100 iki 10 000 saulės masių.
Šių objektų kilmės įrodymai tebėra prieštaringi. Kol kas daugiau nei viena tokia juodoji skylė nebuvo aptikta vienoje galaktikoje. Tačiau tyrėjų komanda, tirdama rentgeno duomenis, M82 galaktikoje, esančioje apie 12 mln. šviesmečių nuo Žemės, aptiko dvi vidutinės masės juodąsias skyles.
Remdamiesi M82 juodųjų skylių skleidžiamos spinduliuotės charakteristikomis, mokslininkai padarė išvadą, kad vienos iš juodųjų skylių masė svyruoja nuo 12 iki 43 tūkstančių saulės masių, o antrosios – nuo 200 iki 800 saulės masių. Pirmasis objektas yra 290 šviesmečių nuo M82 galaktikos centro. Antrasis objektas yra 600 šviesmečių projekcijoje nuo galaktikos centro.
„Pirmą kartą toje pačioje galaktikoje buvo aptiktos dvi vidutinės masės juodosios skylės“, – sakė vienas iš tyrėjų Hua Feng iš Tsinghua universiteto (Kinija). didžiausių juodųjų skylių Visatoje, tokių kaip supermasyvios juodosios skylės, kurios yra daugumos galaktikų centruose.
Vienas iš galimų supermasyvių juodųjų skylių susidarymo mechanizmų yra grandininė žvaigždžių ir kompaktiškų žvaigždžių spiečių susidūrimų reakcija, dėl kurios susikaupia labai masyvūs objektai, kurie vėliau susidaro į vidutinės masės juodąsias skyles. Tada tarpinės juodosios skylės pritraukiamos prie galaktikos centro ir susilieja su supermasyvia juodąja skyle galaktikos centre.
„Negalime tiksliai pasakyti, ar panašus juodųjų skylių formavimosi procesas M82 patvirtina šią teoriją, tačiau žinome, kad abi šios vidutinio dydžio juodosios skylės yra šalia žvaigždžių spiečių“, – sakė Philas Caretas iš Ajovos valstijos universiteto. „Be to, M82 yra arčiausiai mūsų esanti galaktika, kurioje sąlygos panašios į ankstyvojoje Visatoje, kurioje yra daug žvaigždžių.
Iki šiol astronomai tiksliai nežinojo, ar toje pačioje galaktikoje gali būti dvi vidutinės masės juodosios skylės. Galbūt šis atradimas atskleis supermasyvių juodųjų skylių formavimosi ir evoliucijos procesus galaktikose.
Juodųjų skylių tipai
Žvaigždžių masių juodosios skylės.Žvaigždžių masės juodosios skylės susidaro kaip paskutinis žvaigždės gyvavimo etapas, kai termobranduolinis kuras visiškai sudegė ir reakcija sustoja, žvaigždė teoriškai turėtų pradėti vėsti, o tai sumažės vidinis slėgis ir žvaigždės suspaudimas veikiant gravitacijai. Suspaudimas gali sustoti tam tikrame etape arba gali virsti greitu gravitaciniu kolapsu. Priklausomai nuo žvaigždės masės ir kampinio momento, galimos šios galutinės būsenos:
Išnykusi, labai tanki žvaigždė, kurią sudaro daugiausia, priklausomai nuo masės, iš helio, anglies, deguonies, neono, magnio, silicio arba geležies (pagrindiniai elementai išvardyti didėjančios likusios žvaigždės masės tvarka). Tokios liekanos vadinamos baltosiomis nykštukais, jų masę riboja aukščiau Chandrasekhar riba.
Neutroninė žvaigždė, kurios masę riboja Oppenheimerio-Volkovo riba.
Juodoji skylė.
Didėjant žvaigždžių liekanos masei, pusiausvyros konfigūracija juda žemyn pagal aprašytą seką. Sukimo momentas padidina maksimalią masę kiekviename etape, bet ne kokybiškai, o kiekybiškai (daugiausia 2-3 kartus).
Sąlygos (daugiausia masė), kurioms esant galutinė žvaigždžių evoliucijos būsena yra juodoji skylė, nebuvo pakankamai gerai ištirtos, nes tam reikia žinoti medžiagos elgseną ir būsenas esant ypač dideliam tankiui, kuris yra neprieinamas eksperimentiniam tyrimui. Papildomų sunkumų kelia žvaigždžių modeliavimas vėlyvose jų evoliucijos stadijose dėl besiformuojančios cheminės sudėties sudėtingumo ir staigaus būdingo procesų laiko sumažėjimo. Užtenka paminėti, kad kai kurios didžiausios kosminės katastrofos, supernovų sprogimai, įvyksta būtent šiose žvaigždžių evoliucijos stadijose. Įvairūs modeliai pateikia mažesnį juodosios skylės, susidariusios dėl gravitacinio griūties, masę nuo 2,5 iki 5,6 saulės masės. Juodosios skylės spindulys labai mažas – keliasdešimt kilometrų.
Vėliau juodoji skylė gali augti dėl medžiagos absorbcijos - paprastai tai yra kaimyninės žvaigždės dujos dvinarių žvaigždžių sistemose (juodosios skylės susidūrimas su kitu astronominiu objektu yra labai mažai tikėtinas dėl mažo skersmens ). Dujų kritimo ant bet kokio kompaktiško astrofizinio objekto, įskaitant juodąją skylę, procesas vadinamas akrecija. Tokiu atveju dėl dujų sukimosi susidaro akrecinis diskas, kuriame medžiaga įsibėgėja iki reliatyvistinio greičio, įkaista ir dėl to stipriai spinduliuoja, taip pat ir rentgeno spindulių diapazone, o tai leidžia. iš esmės aptikti tokius akrecijos diskus (taigi ir juodąsias skyles) naudojant ultravioletinius ir rentgeno teleskopus. Pagrindinė problema yra mažas dydis ir sunku fiksuoti skirtumus tarp neutroninių žvaigždžių ir juodųjų skylių akrecinių diskų, o tai lemia netikrumą identifikuojant astronominius objektus su juodosiomis skylėmis. Pagrindinis skirtumas yra tas, kad ant visų objektų krentančios dujos anksčiau ar vėliau susiduria su kietu paviršiumi, o tai sukelia intensyvią spinduliuotę stabdant, tačiau ant juodosios skylės krentantis dujų debesis dėl neribotai didėjančio gravitacinio laiko išsiplėtimo (raudonojo poslinkio) tiesiog išblunka. greitai artėjant prie įvykių horizonto, kaip pastebėta Hablo teleskopu Cygnus X-1 šaltinio atveju.
Juodųjų skylių susidūrimas su kitomis žvaigždėmis, taip pat neutroninių žvaigždžių susidūrimas, dėl kurio susidaro juodoji skylė, sukelia galingą gravitacinę spinduliuotę, kurią, tikimasi, artimiausiais metais bus galima aptikti naudojant gravitacinius teleskopus. Šiuo metu yra pranešimų apie susidūrimų stebėjimus rentgeno spindulių diapazone. 2011 m. rugpjūčio 25 d. pasirodė žinutė, kad pirmą kartą mokslo istorijoje japonų ir amerikiečių specialistų grupei 2011 m. kovą pavyko užfiksuoti žvaigždės, kurią prarijo juodoji skylė, mirties akimirką.
Supermasyvios juodosios skylės. Apaugusios labai masyvios juodosios skylės, remiantis šiuolaikinėmis idėjomis, sudaro daugumos galaktikų branduolius. Tai apima didžiulę juodąją skylę mūsų galaktikos šerdyje - Šaulį A
Šiuo metu dauguma mokslininkų mano, kad žvaigždžių ir galaktikos mastelių juodųjų skylių buvimas yra patikimai įrodytas astronominiais stebėjimais.
Amerikos astronomai nustatė, kad supermasyvių juodųjų skylių masė gali būti gerokai neįvertinta. Tyrėjai išsiaiškino, kad tam, kad žvaigždės galėtų judėti M87 galaktikoje (kuri yra 50 mln. šviesmečių nuo Žemės), kaip stebima dabar, centrinės juodosios skylės masė turi būti bent 6,4 milijardo Saulės masių, tai yra du kartus. dabartinis M87 branduolio įvertinimas, kuris yra 3 milijardai saulės masių.
Juodosios skylės galaktikos šerdyje gravitacinis spindulys yra 3 10 15 cm = 200 AU. Tai yra penkis kartus didesnis atstumas nuo Saulės iki Plutono. Kritinis tankis yra 0,2 10 -3 g/cm³, tai kelis kartus mažesnis už oro tankį.
Pirminės juodosios skylėsšiuo metu turi hipotezės statusą. Jei pradiniais Visatos gyvavimo momentais buvo pakankamai nukrypimų nuo gravitacinio lauko ir materijos tankio vienodumo, tai iš jų griūties metu galėtų susidaryti juodosios skylės. Be to, jų masė nėra ribojama iš apačios, kaip žvaigždžių griūties – jų masė tikriausiai gali būti gana maža. Pirminių juodųjų skylių atradimas yra ypač įdomus dėl galimybės ištirti juodųjų skylių garavimo reiškinį.
Kvantinės juodosios skylės. Daroma prielaida, kad stabilios mikroskopinės juodosios skylės, vadinamosios kvantinės juodosios skylės, gali atsirasti dėl branduolinių reakcijų. Norint matematiškai apibūdinti tokius objektus, reikalinga kvantinė gravitacijos teorija. Tačiau iš bendrų svarstymų labai tikėtina, kad juodųjų skylių masės spektras yra atskiras ir kad egzistuoja minimali juodoji skylė – Planko juodoji skylė. Jo masė yra apie 10–5 g, spindulys – 10–35 m. Planko juodosios skylės Komptono bangos ilgis yra lygus jos gravitaciniam spinduliui.
Net jei egzistuoja kvantinės juodosios skylės, jų gyvavimo laikas yra labai trumpas, todėl jų tiesioginis aptikimas yra labai problemiškas.
Neseniai buvo pasiūlyti eksperimentai, siekiant aptikti juodųjų skylių branduolinėse reakcijose įrodymus. Tačiau tiesioginei juodosios skylės sintezei greitintuve reikalinga 10 26 eV energija, kuri šiandien nepasiekiama. Matyt, itin didelių energijų reakcijose gali atsirasti virtualių tarpinių juodųjų skylių.
Eksperimentai su protonų ir protonų susidūrimais, kurių bendra energija yra 7 TeV didžiajame hadronų greitintuve, parodė, kad šios energijos nepakanka mikroskopinėms juodosioms skylėms susidaryti. Remiantis šiais duomenimis, daroma išvada, kad mikroskopinės juodosios skylės turėtų būti sunkesnės nei 3,5–4,5 TeV, priklausomai nuo konkretaus įgyvendinimo.
