Dimensionet dhe masa e vrimave të zeza - vizualizimi i videos. Vrimat e zeza supermasive

Një vrimë e zezë është një rajon astronomik në hapësirë ​​dhe kohë brenda të cilit tërheqja gravitacionale priret në pafundësi. Për t'i shpëtuar një vrime të zezë, objektet duhet të arrijnë shpejtësi shumë më të mëdha se shpejtësia e dritës. Dhe meqenëse kjo është e pamundur, as kuantet e vetë dritës nuk emetohen nga rajoni i vrimës së zezë. Nga e gjithë kjo rezulton se rajoni i vrimës së zezë është absolutisht i padukshëm për vëzhguesin, pavarësisht sa larg është prej tij. Prandaj, është e mundur të zbulohet dhe të përcaktohet madhësia dhe masa e vrimave të zeza vetëm duke analizuar situatën dhe sjelljen e objekteve që ndodhen pranë tyre.

Në Simpoziumin e 20-të mbi Astrofizikën Relativiste në Teksas në vitin 2001, astronomët Carl Gebhardt dhe John Kormendy bënë matje praktike të masave të vrimave të zeza aty pranë, duke u dhënë astronomëve mundësinë për të marrë informacion rreth rritjes së vrimave të zeza. Duke përdorur këtë metodë, u krijuan 19 vrima të reja të zeza, përveç 19-ve të njohura në atë kohë, të gjitha ato janë supermasive dhe peshojnë nga një deri në një miliardë masa diellore. Ato janë të vendosura në qendrat e galaktikave.

Metoda e matjes së masës bazohet në vëzhgimin e lëvizjes së yjeve dhe gazit pranë qendrave të galaktikave të tyre. Matje të tilla mund të kryhen vetëm me rezolucion të lartë hapësinor, i cili mund të sigurohet nga teleskopët hapësinorë si Hubble ose NuSTAR. Thelbi i metodës është të analizojë ndryshueshmërinë e kuasarëve dhe qarkullimin e gazrave të mëdhenj rreth vrimës. Shkëlqimi i rrezatimit nga retë rrotulluese të gazit varet drejtpërdrejt nga energjia e rrezeve X të vrimës së zezë. Meqenëse drita ka një shpejtësi të përcaktuar rreptësisht, ndryshimet në shkëlqimin e reve të gazit janë të dukshme për vëzhguesin më vonë se ndryshimi në shkëlqimin e burimit qendror të rrezatimit. Duke përdorur diferencën kohore, llogaritet distanca nga retë e gazit në qendrën e vrimës së zezë. Së bashku me shpejtësinë e rrotullimit të reve të gazit, llogaritet edhe masa e vrimës së zezë. Sidoqoftë, kjo metodë përfshin pasiguri, pasi nuk ka asnjë mënyrë për të verifikuar korrektësinë e rezultatit përfundimtar. Nga ana tjetër, të dhënat e marra me këtë metodë korrespondojnë me marrëdhëniet midis masave të vrimave të zeza dhe masave të galaktikave.

Metoda klasike e matjes së masës së një vrime të zezë, e propozuar nga Schwarzschild bashkëkohor i Ajnshtajnit, përshkruhet me formulën M=r*c^2/2G, ku r është rrezja gravitacionale e vrimës së zezë, c është shpejtësia e dritës. , G është konstanta gravitacionale. Megjithatë, kjo përshkruan me saktësi masën e një vrime të zezë të izoluar, jo rrotulluese, jo të ngarkuar dhe jo avulluese.

Një mënyrë krejtësisht e re për përcaktimin e masës së vrimave të zeza, e cila bëri të mundur zbulimin dhe studimin e vrimave të zeza "mesatare". Ai bazohet në analizën e ndërhyrjeve radiofonike të avionëve - nxjerrjet e materies që formohen kur një vrimë e zezë thith masën nga disku që e rrethon. Shpejtësia e avionëve mund të jetë më e lartë se gjysma e shpejtësisë së dritës. Dhe meqenëse masa e përshpejtuar në shpejtësi të tilla lëshon rreze X, ajo mund të regjistrohet nga një interferometër radio. Metoda e modelimit matematikor të avionëve të tillë bën të mundur marrjen e vlerave më të sakta të masave mesatare të vrimave të zeza.

Astrofizikanët amerikanë dhe australianë kanë zbuluar një vrimë të zezë kandidate me masë mesatare. Ata e morën këtë emër sepse janë më të rënda se objektet e zakonshme - domethënë ato të formuara si rezultat i kolapsit gravitacional të yjeve - por më të lehta se vrimat e zeza supermasive, të vendosura zakonisht në bërthamat aktive të galaktikave të mëdha. Origjina e objekteve të pazakonta mbetet ende e paqartë. Më poshtë do të flasim për vrimat e zeza me masë të ndërmjetme dhe zbulimin e shkencëtarëve.

Shumica e vrimave të zeza të njohura nga shkencëtarët - domethënë objektet nga të cilat asnjë lëndë nuk mund të largohet (duke injoruar efektet kuantike) - janë ose vrima të zeza me masë yjore ose vrima të zeza supermasive.

Origjina e këtyre objekteve gravitacionale është afërsisht e qartë për astronomët. E para, siç nënkupton edhe emri i tyre, përfaqëson fazën përfundimtare në evolucionin e yjeve të rëndë, kur reaksionet termonukleare pushojnë në thellësitë e tyre. Ata janë aq të rëndë sa nuk shndërrohen as në xhuxh të bardhë, as në yje neutron.

Yjet e vegjël si Dielli kthehen në xhuxhë të bardhë. Në to, forca e ngjeshjes gravitacionale balancohet nga zmbrapsja elektromagnetike e plazmës elektron-bërthamore. Në yjet më të rëndë, graviteti kufizohet nga presioni i lëndës bërthamore, duke rezultuar në yje neutron. Bërthama e objekteve të tilla formohet nga një lëng neutron, i cili mbulohet nga një shtresë e hollë plazmatike elektronesh dhe bërthamash të rënda. Më në fund, yjet më të rëndë shndërrohen në vrima të zeza, gjë që përshkruhet në mënyrë të përsosur nga teoria e përgjithshme e relativitetit dhe fizika statistikore.

Vlera kufizuese e masës së një xhuxhi të bardhë, e cila e pengon atë të shndërrohet në një yll neutron, u vlerësua në vitin 1932 nga astrofizikani indian Subramanyan Chandrasekhar. Ky parametër llogaritet nga gjendja e ekuilibrit të gazit elektronik të degjeneruar dhe forcave gravitacionale. Vlera moderne e kufirit Chandrasekhar vlerësohet në rreth 1.4 masa diellore. Kufiri i sipërm i masës së një ylli neutron në të cilin ai nuk kthehet në një vrimë të zezë quhet kufiri Oppenheimer-Volkoff. Përcaktohet nga gjendja e ekuilibrit midis presionit të gazit të degjeneruar neutron dhe forcave gravitacionale. Në vitin 1939, shkencëtarët morën një vlerë prej 0,7 masash diellore, vlerësimet moderne variojnë nga 1,5 në 3,0.

Yjet më masivë janë 200-300 herë më të rëndë se Dielli. Si rregull, masa e një vrime të zezë me origjinë nga një yll nuk e kalon këtë renditje. Në anën tjetër të shkallës janë vrimat e zeza supermasive - ato janë qindra mijëra apo edhe dhjetëra miliarda herë më të rënda se Dielli. Në mënyrë tipike, përbindësha të tillë ndodhen në qendrat aktive të galaktikave të mëdha dhe kanë një ndikim vendimtar mbi to. Përkundër faktit se origjina e vrimave të zeza supermasive gjithashtu ngre shumë pyetje, mjaft objekte të tilla (më rreptësisht, kandidatë për to) janë zbuluar deri më sot për të mos dyshuar në ekzistencën e tyre.

Për shembull, në qendër të Rrugës së Qumështit, në një distancë prej 7,86 kiloparseks nga Toka, shtrihet objekti më i rëndë në Galaxy - vrima e zezë supermasive Shigjetari A*, e cila është më shumë se katër milionë herë më e rëndë se Dielli. Në një sistem të madh yjor aty pranë, Mjegullnaja Andromeda, ekziston një objekt edhe më i rëndë: një vrimë e zezë supermasive që ka të ngjarë të jetë 140 milionë herë më e rëndë se Dielli. Astronomët vlerësojnë se në rreth katër miliardë vjet, një vrimë e zezë supermasive nga Mjegullnaja e Andromedës do të thithë një nga Rruga e Qumështit.

Ky mekanizëm tregon mënyrën më të mundshme të formimit të vrimave të zeza gjigante - ato thjesht thithin të gjithë lëndën që i rrethon. Sidoqoftë, pyetja mbetet: a ekzistojnë në natyrë vrimat e zeza të masave të ndërmjetme - midis atyre yjore dhe atyre super të rënda? Vëzhgimet e viteve të fundit, duke përfshirë një të botuar në një numër të fundit të revistës Nature, e konfirmojnë këtë. Në botim, autorët raportuan zbulimin e një kandidati të mundshëm për vrimat e zeza me masë të ndërmjetme në qendër të grupit yjor globular 47 Tucanae (NGC 104). Vlerësimet tregojnë se është rreth 2.2 mijë herë më i rëndë se Dielli.

Grumbulli 47 Tucanae ndodhet 13 mijë vjet dritë nga Toka në yjësinë Tucanae. Ky koleksion i ndriçuesve të lidhur me gravitacion dallohet për moshën e tij të madhe (12 miliardë vjet) dhe shkëlqimin jashtëzakonisht të lartë midis objekteve të ngjashme (i dyti vetëm pas Omega Centauri). NGC 104 përmban mijëra yje, të kufizuar në një sferë konvencionale me një diametër prej 120 vite dritë (kjo është tre rend magnitudë më e vogël se diametri i diskut të Rrugës së Qumështit). Gjithashtu në 47 Tucana ka rreth njëzet pulsarë - janë ata që janë bërë objekti kryesor i kërkimit nga shkencëtarët.

Kërkimet e mëparshme për një vrimë të zezë në qendër të NGC 104 kanë qenë të pasuksesshme. Objekte të tilla zbulohen në mënyrë indirekte, nga emetimi karakteristik i rrezeve X që buron nga disku i grumbullimit rreth tyre, i formuar nga gazi i nxehtë. Ndërkohë, qendra e NGC 104 nuk përmban pothuajse asnjë gaz. Nga ana tjetër, një vrimë e zezë mund të zbulohet nga ndikimi që ka tek yjet që rrotullohen në afërsi të saj - kjo është afërsisht se si mund të studiohet Shigjetari A*. Sidoqoftë, edhe këtu shkencëtarët u përballën me një problem - qendra e NGC 104 përmban shumë yje për të qenë në gjendje të kuptojnë lëvizjet e tyre individuale.

Shkencëtarët janë përpjekur t'i anashkalojnë të dyja vështirësitë, duke mos braktisur në të njëjtën kohë metodat e zakonshme të zbulimit të vrimave të zeza. Së pari, astronomët analizuan dinamikën e yjeve të të gjithë grumbullimit globular në tërësi, dhe jo vetëm atyre yjeve që janë afër qendrës së tij. Për ta bërë këtë, autorët morën të dhëna mbi dinamikën e 47 Tucanae, të mbledhura gjatë vëzhgimeve nga Observatori Australian i Radios Parkes. Shkencëtarët përdorën informacionin e marrë për modelimin kompjuterik brenda kuadrit të problemit gravitacional të trupit N. Ai tregoi se në qendër të NGC 104 ka diçka që, në karakteristikat e saj, i ngjan një vrime të zezë me masë të ndërmjetme. Megjithatë, kjo nuk mjaftoi.

Studiuesit vendosën të testojnë përfundimet e tyre mbi pulsarët - mbetjet kompakte të yjeve të vdekur, sinjalet radio të të cilave astronomët kanë mësuar të gjurmojnë mjaft mirë. Nëse NGC 104 përmban një vrimë të zezë me masë të ndërmjetme, atëherë pulsarët nuk mund të vendosen shumë afër qendrës së 47 Tucani - dhe anasjelltas. Siç prisnin autorët, skenari i parë u konfirmua: vendndodhja e pulsarëve në NGC 104 lidhet mirë me faktin se ekziston një vrimë e zezë me masë të ndërmjetme në qendër të grupimit.

Autorët besojnë se objektet gravitacionale të këtij lloji mund të ndodhen në qendrat e grupimeve të tjera globulare - ndoshta në vende ku ato janë tashmë ose nuk janë ende duke u kërkuar. Kjo do të kërkojë shqyrtim të kujdesshëm të secilit prej këtyre grupimeve. Çfarë roli luajnë vrimat e zeza me masë të ndërmjetme dhe si lindën ato? Kjo ende nuk dihet me siguri. Pavarësisht nga mundësitë e shumta për evolucionin e tyre të mëtejshëm, bashkëautori i studimit Bulent Kiziltan beson se "ato mund të jenë farat origjinale që u rritën në përbindëshat që ne shohim sot në qendrat e galaktikave".

Në korrik të vitit të kaluar, një artikull nga një grup shkencëtarësh të udhëhequr nga punonjës të Universitetit të Toulouse u botua në Nature, grupi po kërkonte burime ultra të fuqishme të rrezeve X - objekte, shkëlqimi i të cilave tejkalon shkëlqimin maksimal të mundshëm për masën yjore; objektet. Duke përdorur vëzhgimet nga teleskopi hapësinor me rreze X të Agjencisë Evropiane të Hapësirës (ESA), shkencëtarët zbuluan ESO 243-29 në galaktikë, e cila është 300 milionë vite dritë larg (ndërsa dritës nga Dielli i duhen pak më shumë se 8 minuta për të arritur në Tokë. dhe nga më i afërti një yll jo-diellor na ka ardhur për më shumë se katër vjet), një burim shumë i ndritshëm i rrezeve X. Shkëlqimi maksimal i këtij objekti është 1.1.10 42 erg/s, e cila, për shembull, është 260 milionë herë më e lartë se shkëlqimi i Diellit në rrezen X. Burimi u quajt HLX-1 (burimi me rreze X hiper-Shkëlqyese 1), që përkthehet si "burimi numër një me rreze X hiper-fuqishëm".

Vlerësimi i shkëlqimit i lejoi shkencëtarët të supozonin se ky objekt është një vrimë e zezë që peshon të paktën 500 masa diellore.

Deri më tani, astronomët kishin vëzhguar prova të vetëm dy llojeve të vrimave të zeza - disa supermasive dhe të tjera me masa yjore.

Një lloj është vrimat e zeza, masat e të cilave janë të krahasueshme me masat e yjeve (3-20 masa diellore). Këto vrima shfaqen në fund të jetës së yjeve masive, dhe astronomët aktualisht dinë për disa dhjetëra objekte të tilla. Por dihen shumë më tepër vrima të zeza supermasive (me një masë prej rreth 10 9 masa diellore ose më shumë) - numri i tyre tashmë ka tejkaluar një mijë. Kjo shpjegohet lehtësisht me faktin se astronomët dinë se ku të kërkojnë vrima të tilla: ato ndodhen në bërthamat e galaktikave.

Sipas një teorie mjaft të zakonshme, vrimat e zeza supermasive formohen si rezultat i bashkimit të vrimave të zeza me masë më të vogël. Megjithatë, vrimat e zeza me masë të ndërmjetme nuk janë zbuluar kurrë dhe shkencëtarët që punojnë në këtë drejtim nuk kanë pasur asgjë për t'u mburrur deri më tani, përveç disa kandidatëve të padallueshëm.

Gjatë vitit të kaluar, shkencëtarët kanë bërë vëzhgime të reja dhe kanë konfirmuar supozimet e tyre se HLX-1 është një vrimë e zezë me masë të ndërmjetme.

Gjatë hulumtimit, shkencëtarët vëzhguan HLX-1 në teleskopin VLT të Observatorit Jugor Evropian (ESO) në Kili. Duke përdorur vëzhgimet optike, ata ishin në gjendje të përcaktojnë distancën e saktë nga objekti dhe të konfirmojnë se ai "është me të vërtetë i vendosur në këtë galaktikë dhe nuk është as një yll dhe as një burim sfondi".

“Pas punës sonë të mëparshme, ne vërtet donim të zbulonim se sa i vërtetë ishte modeli ynë i propozuar për realitetin,” tha Klaas Wiersema, autori kryesor i punimit. “Në imazhet nga teleskopët e mëdhenj, ne pamë një burim të vogël optik në vendin e objektit tonë me rreze X. Vëzhgimet e VLT konfirmuan se ky emision optik është i lidhur me HLX-1. Ne përcaktuam distancën e saktë me objektin dhe konfirmuam se atje ka një vrimë të zezë. Tani ne duam të zbulojmë pse ky burim shkëlqen kaq shumë në rrezet X dhe si u fut në galaktikën më të madhe."

Më parë mendohej se burimet e rrezeve X aq të ndritshme sa HLX-1 nuk mund të ishin aq të ndritshme, sepse vrima e zezë duhet të thithë pjesën më të madhe të dritës që kalon pranë saj.

"Është shumë e vështirë të shpjegohet fizika e këtij objekti pa praninë e një vrime të zezë me një masë të ndërmjetme midis 500 dhe 10,000 masa diellore," thotë një nga autorët e punimit, Sean Farrell. "Kështu, por vetëm tani për tani, burimi i HLX-1 është jashtë kontrollit të komunitetit astronomik ndërkombëtar."

Planet e ardhshme të shkencëtarëve përfshijnë vëzhgime me teleskopin hapësinor Hubble dhe një përpjekje për të gjetur burime të tjera të ngjashme me HLX-1.

Vrimat e zeza me masë të ndërmjetme në bërthamat galaktike

Një vrimë e zezë me masë mesatare peshon rreth dhjetë mijë diej. Kjo është dhjetë mijë herë më pak se masa e Gargantua, por një mijë herë më shumë se pesha e vrimave të zeza të zakonshme - pikërisht ajo që Cooper i duhet për manovra.

Vrimat me masë të mesme ndonjëherë mendohet se e kanë origjinën në qendrat e grupimeve të dendura të yjeve të quajtura grupime globulare. Dhe disa prej tyre, me një shkallë të lartë probabiliteti, përfundojnë në bërthamat e galaktikave, ku ndodhen vrimat e zeza gjigante.

Merrni për shembull galaktikën Andromeda, galaktikën e madhe më të afërt me tonën (Fig. 7.4), në thelbin e së cilës shtrihet një vrimë e zezë me përmasat e Gargantuas, me një masë prej 100 milionë Diejsh. Një numër i madh yjesh tërhiqen nga vrima të tilla të zeza gjigante - deri në një mijë yje për vit dritë kub. Kur një vrimë me masë mesatare kalon nëpër një zonë kaq të ngopur, ajo zhvendos yjet me forcën e gravitetit të saj, duke lënë pas një gjurmë të densitetit të rritur yjor. Kjo gjurmë, nga ana tjetër, tërheq një vrimë me masë mesatare, duke ngadalësuar lëvizjen e saj; ky proces quhet fërkim dinamik. Ndërsa vrima me masë të ndërmjetme ngadalësohet, ajo tërhiqet më pranë vrimës së zezë gjigante. Kështu, natyra (në versionin Kip) mund t'i "sigurojë" Kuperit masën mesatare të vrimës së zezë të nevojshme për manovrat e tij gravitacionale.

Oriz. 7.4. Majtas: Galaxy Andromeda, e cila strehon një vrimë të zezë me madhësinë e Gargantua në thelbin e saj. Djathtas: Fërkimi dinamik si një vrimë me masë mesatare ngadalësohet gradualisht dhe tërhiqet më pranë vrimës së zezë gjigante.