Типи чорних дір
Є чотири типи чорних дірок, засновані на їх масі: зіркові, проміжні,
Чорні діри зоряної маси - маленькі, але смертельні
Чумацький Шлях містить близько ста мільйонів чорнихдірок, які утворилися в результаті колапсу дуже масивних зірок. Кожна з цих зіркових чорних дір важить приблизно в 10 разів більше нашого Сонця. Далеко не всі з цих чорних дір знаходяться на близькій відстані від звичайної зірки, яка повільно перетікає в чорну діру. Коли цей газ падає в сторону чорної діри, він нагрівається сильною гравітацією і тертям. Поруч з чорною дірою газ досягає типовою температури 10 мільйонів градусів за Цельсієм. Ці джерела рентгенівського випромінювання чорних дір легко спостерігати по всьому Чумацькому Шляху, а також у прилеглих галактиках за допомогою орбітальних рентгенівських обсерваторій.
Примітно, що будь-яка чорна діра повністюописується всього двома числами, які визначають її масу і швидкість обертання. Ми не знаємо нічого простішого, крім елементарної частинки, такої як електрон. Вчені з CFA виміряли обидва цих фундаментальних параметра - масу і спин - для більш ніж дюжини зіркових чорних дір, вивчаючи всі аспекти цих чорних дір і їх систем.
Незважаючи на свою повсюдність у Всесвіті,чорні діри залишаються вкрай загадковими об'єктами. Нам потрібна теорія квантової гравітації, яка об'єднає теорію відносності Ейнштейна 1916 року зі теорією квантової механіки 1926 року. Такий теорії не існує, незважаючи на десятиліття теоретичних зусиль фізиків, які вивчають теорію струн та інших фахівців. Створення теорії квантової гравітації стане вінцем фізики нарівні з досягненнями Ньютона, Ейнштейна і інших гігантів.
Чорна діра середньої маси (IMBH) - застрягли посередині
Між класами чорних дірок зоряної величиниі понад масивний повинен існувати ще один проміжний. У всякому разі, за законами логіки. Хіба не повинні існувати чорні дірки середнього розміру, які визначають різницю між чорними дірками зоряної маси і надмасивними чорними дірками? Ці космічні середні маси, які можуть варіюватися від приблизно 100 до 1 мільйона сонячних мас — хоча конкретний діапазон варіюється в залежності від того, кого ви визнаєте, між проміжками holes, IMBHs). І хоча астрономи знайшли кілька переконливих кандидатів на IMBH, розкиданих по всьому Всесвіту, питання про те, чи дійсно вони існують, все ще не вирішено. Проте доказів починає накопичуватися.
Хоча остаточний доказ існуванняIMBH залишається невловимим, за останні кілька десятиліть був проведений ряд досліджень, в яких були виявлені інтригуючі докази, що натякають на існування цих не дуже великих, що не дуже маленьких чорних дір.
Ілюстрація молодий чорної діри, такий як два далеких беспильность квазара, недавно виявлених космічним телескопом Спітцера. (Зображення надано NASA / JPL-Caltech)
Наприклад, в 2003 році дослідники використовуваликосмічну обсерваторію ЕКА XMM-Newton, щоб ідентифікувати два сильних, різних джерела рентгенівського випромінювання в сусідній галактиці зі спалахом зореутворення NGC 1313. Тому що чорні діри, як правило, люто поглинають матеріал, який наближається занадто близько, і вивергає високо. -енергетичний випромінювання, вони є одними з найсильніших відомих джерел рентгенівського випромінювання. Визначивши джерела рентгенівського випромінювання в NGC 1313 і вивчивши, як вони періодично спалахують, в 2015 році дослідники змогли обмежити масу однієї з передбачуваних чорних дір галактики, відомої як NGC 1313 X-1. Вони підрахували, що це приблизно в 5000 разів більше маси Сонця, плюс-мінус, що впевнено поміщає її в діапазон мас чорної діри проміжної маси.
Так само в 2009 році дослідники виявилище сильніші свідчення існування чорної діри середнього розміру. Розташований приблизно в 290 млн світлових років від краю галактики ESO 243-49, команда спостерігала неймовірно яскраве рентгенівське джерело під назвою HLX-1 (гіперсвітиться джерело рентгенівського випромінювання номер один, Hyper-Luminous X-ray source 1), що не має оптичного аналога. Це говорить про те, що об'єкт, що спостерігається, не просто зірка або галактика. Крім того, дослідники виявили, що рентгенівська сигнатура HLX-1 змінювалася з часом, припускаючи, що чорна дірка стає яскравішою щоразу, коли найближча зірка наближається до неї, подаючи газ і викликаючи короткі спалахи рентгенівських променів, які повільно зникають. геть. Грунтуючись на яскравості спалахів, дослідники розрахували мінімальну масу чорної дірки приблизно в 500 разів більше маси Сонця, хоча за деякими оцінками її вага наближається до 20 000 мас Сонця.
На даний момент детектори гравітаційних хвильLIGO і Virgo об'єдналися, щоб виявити 20 чорних дір зоряних мас, які зливаються, утворюючи чорні діри з масою від 20 до 80 сонячних. Хоча LIGO-Virgo не виявлено ніяких ЧД (більше 100 сонячних мас), дослідники з оптимізмом дивляться на їх виявлення в майбутньому.
Планка чорна діра (Micro black hole)
Планка чорна діра - гіпотетична чорна діра з мінімально можливою масою, яка дорівнює планковской масі.
Щільність речовини такої чорної дірки становитьблизько 1094 кг/м³ і, можливо, є максимальною досяжною густиною маси. Фізика на таких масштабах повинна описуватися поки що не розробленими теоріями квантової гравітації. Такий об'єкт тотожний гіпотетичній елементарній частинці з (імовірно) максимально можливою масою - максимону.
Планковские чорні діри характеризує вкраймалий перетин взаємодії. Трохи перетину взаємодії нейтральних максімонов з речовиною призводить до того, що значна (або навіть основна) частина матерії у Всесвіті в даний час могла б складатися з максімонов, не наводячи до протиріччя з спостереженнями. Зокрема, максімони могли б грати роль невидимого речовини (темної матерії), існування якого визнається в даний час в космології.
Надмасивні чорні діри - народження гігантів
Маленькі чорні діри населяють всесвіт, але їхкузени, надмасивні чорні діри, домінують. Ці величезні чорні діри в мільйони або навіть мільярди разів масивніше Сонця, але мають приблизно такий же розмір в діаметрі. Вважається, що такі чорні діри знаходяться в центрі практично кожної галактики, включаючи Чумацький Шлях.
Вчені не впевнені, як виникають такі великічорні діри. Після того, як ці гіганти сформувалися, вони збирають масу з пилу і газу навколо себе, матеріалу, якого багато в центрі галактик, що дозволяє їм вирости до ще більш величезних розмірів.
Надмасивні чорні дірки можуть бути результатомзлиття сотень або тисяч крихітних чорних дірок. Великі газові хмари також можуть бути відповідальні за їх колапс і швидке збільшення маси. Або це колапс зоряного скупчення, групи зірок, що падають разом. Надмасивні чорні діри можуть виникати з великих скупчень темної матерії. Це речовина, яку ми можемо спостерігати через його гравітаційний вплив на інші об'єкти; однак ми не знаємо, з чого складається темна матерія, тому що вона не випромінює світло і може бути безпосередньо спостерігається.
Новий клас чорних дір — «надмасивні» або величезні чорні діри
Отже, як ми вже знаємо, наш Всесвіт міститьвеличезні чорні діри. Надмасивна чорна діра в центрі нашої галактики має масу 4 мільйони Сонць, але вона досить мала, як галактичні чорні діри. Маса багатьох галактичних чорних дір становить мільярд сонячних мас, а маса наймасивнішою з відомих чорних дір оцінюється приблизно в 70 мільярдів Сонць. Але наскільки великою може бути чорна діра?
Щоб чорна діра стала дійсно масивної,вона повинна поглинути велику кількість речовини на початку свого життя. Якщо вона повільно споживає матерію, тоді навколишнє її галактика встане на своє місце, і Всесвіт розшириться, так що чорна діра не зможе захопити набагато більше речовини. Але коли чорна діра швидко поглинає велику кількість речовини, матерія стає дуже гарячою і має тенденцію відштовхувати іншу матерію, що ускладнює зростання чорної діри.
Грунтуючись на спостереженнях за найбільшими чорнимидірами і комп'ютерному моделюванні освіти чорних дір, вважається, що верхня межа маси галактичних чорних дір становить близько 100 мільярдів сонячних мас. Але нове дослідження припускає, що межа маси може бути набагато вище.
В роботі вчених наголошується, що, хочагалактичні чорні діри, ймовірно, дійсно мають межа сонячної маси в сотні мільярдів, більші чорні діри могли утворитися незалежно на ранніх етапах існування Всесвіту. Ці первинні чорні діри можуть мати масу більш ніж в мільйон разів більше, ніж найбільші галактичні чорні діри. Дослідницька група називає їх неймовірно великими чорними дірами або SLABs (stupendously large black holes).
Ідея первинних чорних дір існує вже давно.Вони були запропоновані як рішення за все, від темної матерії до того, чому ми ще не відкрили гіпотетичну дев'яту планету в нашій сонячній системі. Але теоретичні моделі припускають, що первинні чорні діри були б набагато менше, ніж навіть чорні діри зоряної маси, утворені з крихітних флуктуацій щільності в ранньому Всесвіті. Але це нове дослідження припускає, що темна матерія і інші чинники можуть викликати колосальний ріст деяких з них.
Якщо рання Всесвіт була багата темноїматерією, особливо формою темної матерії, відомої як слабо взаємодіють масивні частинки (WIMP), то первинна чорна діра могла споживати темну матерію, щоб швидко рости. Оскільки темна матерія не сильно взаємодіє зі світлом, захоплена темна матерія буде випромінювати багато світла або тепла, щоб уповільнити швидкість росту. В результаті ці чорні діри могли бути величезними ще до того, як Всесвіт охолола і утворилися галактики. Верхня межа маси SLAB буде залежати від того, як темна матерія WIMP взаємодіє з самою собою, тому, якщо ми виявимо якісь SLAB, це може допомогти нам зрозуміти темну матерію.
Як людство може використовувати чорні діри?
Теорія відносності пророкує, щообертові чорні діри можна використовувати в якості джерел енергії. У 1969 році Роджер Пенроуз описав процес, що дозволяє це зробити. Навколо обертових чорних дір існує ергосфера - область, що передує горизонту подій. Всі тіла в ергосфери обертаються разом з чорною дірою.
Процес Пенроуза (також званий механізмомПенроуз) теоретично розглядає чорні дірки як вилучення енергії. Таке вилучення може статися, якщо обертальна енергія чорної дірки розташована не всередині горизонту подій, а зовні в області керрівського простору-часу. У цій ергосфері будь-яка частка обов'язково рухається в локомотивному режимі одночасно з простором-часом, що обертається, тобто. всі об'єкти там захоплюються ним. При цьому шматок речовини, що потрапляє в ергосферу, розщеплюється на дві частини. Наприклад, матерія може складатися з двох частин, які поділяються шляхом пострілу вибухової речовини або ракети, що розсуває її половинки. Імпульс двох частин матерії, коли вони поділяються, можна організувати так, щоб одна частина вислизнула з чорної дірки (вона «вислизнула в нескінченність»), а інша впала за обрій подій у чорну дірку. При ретельному розміщенні у частини матерії, що тікає, може бути більша маса-енергія, ніж у вихідної, а її падаюча частина отримує негативну масу-енергію. Хоча імпульс зберігається, ефект полягає в тому, що при такому процесі можна отримати більше енергії, ніж передбачено. Причому різниця забезпечується найчорнішою діркою. Таким чином, процес призводить до невеликого зменшення кутового моменту чорної дірки, що відповідає передачі енергії матерії. Втрачений імпульс, у свою чергу, перетворюється на вилучену енергію.
Процес Пенроуза вказує на можливістьотримання енергії з чорної діри, але його не можна назвати хорошим практичним методом. Для його реалізації необхідно, щоб дві новонароджені частки володіли швидкістю, що перевищує половину швидкості світла. Очікувана частота таких подій настільки рідкісна, що не дозволить отримати значну кількість енергії.
Тому вчені активно шукають інші механізми.Наприклад, Стівен Хокінг показав, що чорні діри можуть вивільняти енергію за рахунок теплового випромінювання. Ще одним способом добування енергії є процес Бленфорда-Знаека, заснований на електромагнітній взаємодії.
Лука комісії (Luca Comisso) з Колумбійського Університету та Феліпе Асенхо (Felipe A. Asenjo) з Університету Адольфо Ібаньєс описали в своїй статті ще одну з альтернатив процесу Пенроуза.
Чорні діри оточені гарячою плазмою, частинкиякою володіють магнітним полем. Основа нового механізму отримання енергії з обертових чорних дір - перез'єднання силових ліній магнітного поля всередині ергосфери. Чорна діра при цьому повинна знаходитися в зовнішньому магнітному полі, мати великий спін (a ~ 1) і навколишнє її плазму з сильною намагниченностью. Потрібними властивостями володіють, наприклад, чорні діри, що утворилися в результаті довгих і коротких гамма-сплесків і надмасивні чорні діри в активних ядрах галактик.
Магнітне перез'єднання прискорює частина плазми внапрямку обертання діри. Інша частина прискорюється в зворотному напрямку і падає за горизонт подій. Виділення енергії, як і в механізмі Пенроуза, відбувається, якщо поглинається плазма має негативну енергію, а прискорена - «вислизає» з ергосфери. Відмінність полягає в тому, що для утворення частинок з негативною енергією потрібно диссипация енергії магнітного поля. В процесі, описаному Пенроузом, роль грає тільки інерція частинок.
Як говорять учені, ККД описаного процесу - 150відсотків. Це означає, що процес дозволяє отримати в півтора рази більше енергії, ніж потрібно затратити на його реалізацію. Досягнення ККД більше 100 відсотків можливо, тому що вивільнені з ергосфери частки плазми забирають енергію чорної діри. Відкриття нового механізму вилучення енергії з чорних дір дозволить астрономам краще оцінити їх обертальний момент і зрозуміти, як вони випромінюють енергію. До практичного застосування відкриття ще далеко: необхідно з'ясувати, як долетіти до чорної діри і розмістити щось в її ергосфери і не потрапити за горизонт подій.
Читати далі
Супутник Сатурна Титан дивно схожий на Землю. Які у людства на нього плани?
Велика кількість сірих китів почали голодувати і вмирати в Тихому океані
Третина перехворіли COVID-19 повертаються в лікарню. Кожен восьмий - вмирає
Теорія струн заснована на гіпотезі про те, що всеелементарні частинки і їх фундаментальні взаємодії виникають в результаті коливань і взаємодій ультрамікроскопічних квантових струн на масштабах порядку планковской довжини 10-35 м