Juodųjų skylių matmenys ir masė – vaizdo vizualizacija. Supermasyvios juodosios skylės

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 patys šviesos kvantai. Iš viso to išplaukia, kad juodosios skylės sritis yra visiškai nematoma stebėtojui, kad ir kaip toli ji būtų nuo jo. 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 netoli 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, leidžiantis 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.

Amerikos ir Australijos astrofizikai atrado kandidatą į vidutinės masės juodąją skylę. Jie gavo šį pavadinimą, nes yra sunkesni už paprastus objektus, ty tuos, kurie susidarė dėl žvaigždžių gravitacinio žlugimo, bet lengvesni už supermasyvias juodąsias skyles, paprastai esančias aktyviuose didelių galaktikų branduoliuose. Neįprastų objektų kilmė vis dar neaiški. Žemiau kalbėsime apie vidutinės masės juodąsias skyles ir mokslininkų atradimą.

Dauguma mokslininkams žinomų juodųjų skylių, tai yra, objektai, iš kurių negali išeiti jokia medžiaga (nepaisant kvantinių efektų), yra arba žvaigždžių masės juodosios skylės, arba supermasyvios juodosios skylės.

Šių gravitacinių objektų kilmė astronomams yra maždaug aiški. Pirmasis, kaip rodo jų pavadinimas, reiškia paskutinį sunkiųjų žvaigždžių evoliucijos etapą, kai termobranduolinės reakcijos nutrūksta jų gelmėse. Jie tokie sunkūs, kad nevirsta nei baltosiomis nykštukėmis, nei neutroninėmis žvaigždėmis.

Mažos žvaigždės, tokios kaip Saulė, virsta baltosiomis nykštukėmis. Juose gravitacinio suspaudimo jėgą balansuoja elektromagnetinis elektronų-branduolinės plazmos atstūmimas. Sunkesnėse žvaigždėse gravitaciją riboja branduolinės medžiagos slėgis, todėl susidaro neutroninės žvaigždės. Tokių objektų šerdį sudaro neutroninis skystis, kurį dengia plonas plazminis elektronų ir sunkiųjų branduolių sluoksnis. Galiausiai sunkiausios žvaigždės virsta juodosiomis skylėmis – tai puikiai apibūdina bendroji reliatyvumo teorija ir statistinė fizika.

Ribinę baltosios nykštukės masės vertę, neleidžiančią jai virsti neutronine žvaigžde, 1932 metais apskaičiavo indų astrofizikas Subramanjanas Čandrasekharas. Šis parametras apskaičiuojamas pagal išsigimusių elektronų dujų ir gravitacinių jėgų pusiausvyros sąlygą. Šiuolaikinė Chandrasekhar ribos vertė yra maždaug 1,4 saulės masės. Viršutinė neutroninės žvaigždės masės riba, kai ji nevirsta juodąja skyle, vadinama Oppenheimerio-Volkoffo riba. Jis nustatomas pagal pusiausvyros tarp išsigimusių neutroninių dujų slėgio ir gravitacinių jėgų sąlygą. 1939 m. mokslininkai gavo 0,7 saulės masės vertę, šiuolaikiniais vertinimais svyruoja nuo 1,5 iki 3,0.

Masyviausios žvaigždės yra 200–300 kartų sunkesnės už Saulę. Paprastai juodosios skylės, kilusios iš žvaigždės, masė neviršija šios eilės. Kitame skalės gale yra supermasyvios juodosios skylės – jos šimtus tūkstančių ar net dešimtis milijardų kartų sunkesnės už Saulę. Paprastai tokie monstrai yra didelių galaktikų aktyviuose centruose ir daro jiems lemiamą įtaką. Nepaisant to, kad supermasyvių juodųjų skylių kilmė taip pat kelia daug klausimų, iki šiol tokių objektų (tiksliau – kandidatų į juos) aptikta nemažai, kad neabejotų jų egzistavimu.

Pavyzdžiui, Paukščių Tako centre, 7,86 kiloparsekų atstumu nuo Žemės, yra sunkiausias galaktikos objektas – supermasyvi juodoji skylė Šaulys A*, kuri yra daugiau nei keturis milijonus kartų sunkesnė už Saulę. Netoliese esančioje didelėje žvaigždžių sistemoje, Andromedos ūke, yra dar sunkesnis objektas: supermasyvi juodoji skylė, kuri greičiausiai yra 140 milijonų kartų sunkesnė už Saulę. Astronomai apskaičiavo, kad maždaug po keturių milijardų metų supermasyvi juodoji skylė iš Andromedos ūko praris vieną iš Paukščių Tako.

Šis mechanizmas nurodo labiausiai tikėtiną milžiniškų juodųjų skylių susidarymo būdą – jos tiesiog sugeria visą jas supančią medžiagą. Tačiau lieka klausimas: ar gamtoje egzistuoja tarpinių masių juodosios skylės – tarp žvaigždžių ir itin sunkiųjų? Pastarųjų metų stebėjimai, įskaitant vieną, paskelbtą naujausiame žurnalo „Nature“ numeryje, tai patvirtina. Leidinyje autoriai pranešė apie galimos kandidatės į vidutinės masės juodąsias skyles atradimą rutulinio žvaigždžių spiečiaus 47 Tucanae (NGC 104) centre. Skaičiuojama, kad ji yra apie 2,2 tūkstančio kartų sunkesnė už Saulę.

47 Tucanae spiečius yra 13 tūkstančių šviesmečių nuo Žemės Tucanae žvaigždyne. Ši gravitaciniu būdu sujungtų šviestuvų kolekcija išsiskiria dideliu amžiumi (12 milijardų metų) ir itin dideliu ryškumu tarp panašių objektų (antra po Omega Centauri). NGC 104 yra tūkstančiai žvaigždžių, apribotų įprastine 120 šviesmečių skersmens sfera (tai trimis dydžiais mažesnis nei Paukščių Tako disko skersmuo). Taip pat 47 Tukanoje yra apie dvidešimt pulsarų – būtent jie tapo pagrindiniu mokslininkų tyrimų objektu.

Ankstesnės juodosios skylės NGC 104 centre paieškos buvo nesėkmingos. Tokie objektai atsiskleidžia netiesiogiai, būdinga rentgeno spinduliuote, sklindančia iš aplink juos esančio akrecinio disko, suformuoto įkaitusių dujų. Tuo tarpu NGC 104 centre dujų beveik nėra. Kita vertus, juodąją skylę galima aptikti pagal jos įtaką šalia besisukančioms žvaigždėms – maždaug taip galima tirti Šaulį A*. Tačiau ir čia mokslininkai susidūrė su problema – NGC 104 centre yra per daug žvaigždžių, kad būtų galima suprasti jų individualius judesius.

Mokslininkai bandė apeiti abu sunkumus, kartu neatsisakydami įprastų juodųjų skylių aptikimo metodų. Pirmiausia astronomai išanalizavo viso rutulinio spiečiaus, o ne tik tų žvaigždžių, kurios yra arti jo centro, dinamiką. Norėdami tai padaryti, autoriai paėmė duomenis apie 47 Tucanae dinamiką, surinktus Australijos Parko radijo observatorijos stebėjimų metu. Gautą informaciją mokslininkai panaudojo kompiuteriniam modeliavimui pagal N-kūno gravitacinę problemą. Tai parodė, kad NGC 104 centre yra kažkas, kas savo charakteristikomis primena tarpinės masės juodąją skylę. Tačiau to nepakako.

Mokslininkai nusprendė patikrinti savo išvadas dėl pulsarų – kompaktiškų negyvų žvaigždžių liekanų, kurių radijo signalus astronomai išmoko gana gerai sekti. Jei NGC 104 yra vidutinės masės juodoji skylė, tada pulsarai negali būti per arti 47 Tucani centro ir atvirkščiai. Kaip ir tikėjosi autoriai, pirmasis scenarijus pasitvirtino: pulsarų išsidėstymas NGC 104 gerai koreliuoja su tuo, kad klasterio centre yra vidutinės masės juodoji skylė.

Autoriai mano, kad tokio pobūdžio gravitaciniai objektai gali būti kitų rutulinių spiečių centruose – tikriausiai ten, kur jų jau ieškoma arba dar neieškoma. Tam reikės atidžiai apsvarstyti kiekvieną iš šių grupių. Kokį vaidmenį atlieka vidutinės masės juodosios skylės ir kaip jos atsirado? Tai dar nėra tiksliai žinoma. Nepaisant daugybės tolesnio jų evoliucijos galimybių, tyrimo bendraautorius Bulentas Kiziltanas mano, kad „tai gali būti originalios sėklos, išaugusios į monstrus, kuriuos šiandien matome galaktikų centruose“.

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 susijungus 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, kiek mūsų pasiūlytas modelis atitinka tikrovę“, – 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.

Vidutinės masės juodosios skylės galaktikos branduoliuose

Vidutinės masės juodoji skylė sveria apie dešimt tūkstančių saulių. Tai dešimt tūkstančių kartų mažiau nei Gargantua masė, bet tūkstantį kartų daugiau nei įprastų juodųjų skylių svoris – kaip tik tai, ko Cooperiui reikia manevrams.

Kartais manoma, kad vidutinės masės skylės atsiranda tankių žvaigždžių spiečių, vadinamų rutuliniais spiečiais, centruose. O kai kurie iš jų su didele tikimybe patenka į galaktikų branduolius, kur yra milžiniškos juodosios skylės.

Paimkime, pavyzdžiui, Andromedos galaktiką, arčiausiai mūsų esančią didžiąją galaktiką (7.4 pav.), kurios šerdyje yra Gargantua dydžio juodoji skylė, kurios masė siekia 100 milijonų Saulės. Į tokias milžiniškas juodąsias skyles traukia daugybė žvaigždžių – iki tūkstančio žvaigždžių per kubinius šviesmečius. Kai vidutinės masės skylė praeina per tokį prisotintą sritį, ji savo gravitacija išstumia žvaigždes, palikdama padidėjusio žvaigždžių tankio pėdsaką. Šis pėdsakas savo ruožtu pritraukia vidutinės masės skylę, sulėtindamas jos judėjimą; šis procesas vadinamas dinamine trintimi. Kai vidutinės masės skylė sulėtėja, ji pritraukiama arčiau milžiniškos juodosios skylės. Taigi gamta (Kip versijoje) gali „parūpinti“ Cooperiui vidutinės masės juodąją skylę, reikalingą jo gravitaciniams manevrams.

Ryžiai. 7.4. Kairėje: Andromedos galaktika, kurios šerdyje yra Gargantua dydžio juodoji skylė. Dešinėje: Dinaminė trintis, kaip vidutinės masės skylė, palaipsniui lėtėja ir priartėja prie milžiniškos juodosios skylės.