Самая маленькая черная дыра
Насколько маленькой может быть черная дыра?
Первым, что приходит на ум при мысли о черной дыре, скрывающейся где-то в глубинах нашей галактики, практически всегда становится эдакий гигантский космический монстр, поглощающий абсолютно все на своем пути. Вместе с тем, как сообщает портал livescience.com, во Вселенной может скрываться совершенно новый класс черных дыр, чьи размеры могут быть гораздо меньше, чем когда-либо предполагали ученые.
Во вселенной может существовать новый класс черных дыр
Где находится ближайшая к Земле черная дыра?
Черные дыры — это массивные небесные объекты, чье гравитационное притяжение настолько велико, что они способны поглотить все, что приближается к ним слишком близко. В прошлом все черные дыры являлись сверхмассивными звездами или сверхновыми, которые взорвавшись, образовали новый объект с по-настоящему уникальными свойствами.
Для того, чтобы отыскать черные дыры в нашей галактике, астрономы измеряют рентгеновские лучи, испускаемые той или иной черной дырой при их отталкивании от соседних звезд. Так, самым ближайшим к нашей планете местом, где нарушаются все законы времени и пространства, можно считать черную дыру V616 Monocerotis, расположенную в 3000 световых годах от нас, об особенностях которой мы рассказывали в одной из предыдущих статей.
Не так давно группа исследователей задалась вопросом, могут ли во Вселенной существовать относительно маломассивные черные дыры, которые могли бы не испускать рентгеновские сигналы так, как это делают их большие по размерам “собратья”.
Такие гипотетические черные дыры, вероятно, существуют в системах с двойными звездами, вращаясь при этом достаточно далеко от них. Будучи спрятанным от наблюдателей парными звездами, рентгеновское излучение таких черных дыр останется невидимым для исследователей. Для того, чтобы подтвердить или опровергнуть столь оригинальную теорию, ученые проанализировали огромное количество парных звезд, в результате чего были замечены определенные изменения спектров и длин волн света от каждого из этих объектов. Так, сдвиг в сторону более голубых или более красных волн означал, что звезда может вращаться вокруг невидимого спутника, которым вполне могла оказаться небольшая черная дыра.
Кстати говоря, обсудить данную статью вы можете в нашем официальном Telegram-чате или на канале в Яндекс.Дзен.
Именно благодаря данному способу исследователи смогли обнаружить массивный темный объект, заключенный в гравитационные объятия с быстро вращающейся гигантской звездой на расстоянии около 10 000 световых лет в дальних уголках нашей галактики. Исследователи оценили массу этого объекта примерно в 3,3 раза больше, чем у нашего Солнца, что указывает на тот факт, что обнаруженный объект не может быть нейтронной звездой из-за слишком большой массы, при этом проигрывая по тому же показателю любой известной черной дыре.
Чтобы понять природу обнаруженного объекта, исследователи предположили, что во Вселенной существует особый класс черных дыр, масса которых делает их чем-то средним между нейтронными звездами и классическими черными дырами.
Новый класс черных дыр может быть представлен миниатюрными по космическим меркам объектами
Как известно, самая массивная нейтронная звезда, известная ученым, имеет массу в 2,1 раза больше массы нашего Солнца, в то время как наименее массивной черной дырой долгое время считался объект, чья масса примерно в пять-шесть раз больше массы нашего Солнца. Тем не менее, нижняя граница массы открытого объекта оказалась наименьшей за всю историю наблюдений и всего в 2,6 раза превышает массу нашего Солнца. Такой показатель, по мнению астрономов, является верхним пределом того, насколько большой может быть нейтронная звезда: еще немного, и нейтронная звезда превратится в черную дыру.
Таким образом, обнаруженный темный и весьма таинственный объект может быть или самой массивной нейтронной звездой, которую когда-либо могли обнаружить во Вселенной, или самой маленькой черной дырой. Для того, чтобы разобраться в этом непонятном вопросе, исследователям в скором времени придется использовать космический аппарат Gaia от Европейского космического агентства, который поможет собрать необходимую информацию в предстоящей миссии.
Обнаружена самая маленькая и близкая к Земле чёрная дыра
Гравитация чёрной дыры растягивает звезду, меняя её форму.
Иллюстрация Lauren Fanfer.
Астрономы открыли объект, претендующий на звание самой маленькой и близкой к Земле чёрной дыры во Вселенной. Пока он получил лишь неофициальное название: Единорог. За свою исключительность, а также за то, что находится в созвездии Единорога.
Когда массивная звезда заканчивает свою жизнь во вспышке сверхновой, на месте взрыва остаётся маленькое и очень плотное тело: нейтронная звезда или чёрная дыра.
Нейтронные звёзды имеют огромную плотность: кубический сантиметр их вещества весит сотни миллионов тонн. Поэтому, будучи по массе сравнимы с Солнцем, они имеют диаметр всего в несколько километров.
Согласно расчётам теоретиков, максимальная масса нейтронной звезды составляет 2,5–2,7 солнечной. Более массивный объект при такой плотности теряет устойчивость и сжимается в чёрную дыру.
Казалось бы, массы чёрных дыр, образующихся при взрывах звёзд, должны начинаться с отметки в 2,7 солнечной. Однако долгие годы наблюдателям были известны лишь чёрные дыры массой от пяти солнц. Многие специалисты считали, что более лёгкие чёрные дыры во взрывах сверхновых вообще не образуются.
И вот в 2019 году астрономы обнаружили в созвездии Возничего чёрную дыру массой около 3,3 солнечной. Успех пришёл благодаря новому методу. Исследователи целенаправленно искали звёзды, обращающиеся вокруг чего-то невидимого и массивного. В итоге их внимание привлекла звезда 2MASS J05215658+4359220 из класса красных гигантов. У неё и был обнаружен компаньон, оказавшийся чёрной дырой.
Этот результат вдохновил учёных на продолжение поисков. Теперь команда исследователей, в которую входят и несколько первооткрывателей чёрной дыры в Возничем, сообщила об открытии такого же объекта в Единороге.
Чёрная дыра была найдена тем же методом. Вокруг неё тоже обращается красный гигант. Гравитация чёрной дыры не только заставляет звезду двигаться по орбите, но и вытягивает её, превращая небесное тело из шара в некое подобие дыни или картофелины. Эта деформация и скорость орбитального движения светила помогли учёным вычислить массу невидимого объекта. Она оказалась равна 3,04±0,06 солнечной.
Таким образом, Единорог – это, вероятно, самая лёгкая чёрная дыра, известная науке на сегодняшний день.
Правда, по некоторым расчётам, на месте нашумевшего столкновения нейтронных звёзд 17 августа 2017 года образовалась чёрная дыра массой 2,7 солнечной. Но, по другим данным, в результате этой катастрофы образовалась всё-таки предельно массивная нейтронная звезда.
Примечательно и то, как близко к Земле находится Единорог: до него всего 1500 световых лет (это примерно в 67 раз меньше диаметра Галактики). Авторы называют свою находку самой близкой к Земле чёрной дырой.
Однако ранее другая команда исследователей сообщала об открытии чёрной дыры всего в тысяче световых лет от Земли. Правда, оппоненты подвергли этот результат критике.
Впрочем, астрономия – не спорт, и для науки не так уж важно, какое именно небесное тело считать «самым-самым». Гораздо важнее, что предельно лёгкие чёрные дыры действительно существуют. Причём как минимум некоторые из них находятся у нас «под боком», то есть доступны для изучения настолько, насколько это вообще можно сказать о космической невидимке.
Исследование таких экзотических чёрных дыр поможет астрономам открыть новые тайны жизни и смерти звёзд и в конечном счёте больше узнать о Вселенной, в которой мы живём.
Научная статья с результатами исследования будет опубликована в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Пока же можно ознакомиться с её препринтом.
К слову, ранее мы рассказывали о ещё одном объекте, который может оказаться предельно лёгкой чёрной дырой. Писали мы и о столкновении чёрных дыр рекордно большой массы.
Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».
Обнаружена самая маленькая сверхмассивная черная дыра во Вселенной
В крошечной карликовой галактике Mrk 462 на расстоянии 110 млн световых лет от Земли астрономы обнаружили одну из самых маленьких сверхмассивных черных дыр, когда-либо найденных во Вселенной. Масса «монстра» в сердце галактики Mrk 462 «всего» в 200 тысяч раз превышает массу Солнца. Результаты были представлены на онлайновом 239-м собрании Американского астрономического общества.
Карликовая галактика Mrk 462 и черная дыра в ее центре. Фото: NASA/CXC/Dartmouth Coll./J. Parker & R. Hickox
«Эта черная дыра в центре Mrk 462 — одна из самых маленьких сверхмассивных черных дыр. Такие мини-дыры крайне трудно найти», — заявил астроном Джек Паркер из Дартмутского колледжа.
Галактика Mrk 462 находится в созвездии Гончих Псов. Она также известная как ECO 6421, IRAS Z13493+4027 и LEDA 49191 и содержит всего несколько сотен миллионов звезд — в 100 раз меньше, чем у Млечного Пути.
Гипотеза о формировании крохотной черной дыры
Открытие предполагает, что сверхмассивные черные дыры — по крайней мере, некоторые из них — вырастают из «семян» умерших звезд, менее чем в 100 раз превышающих массу Солнца, а не формируются уже огромными. Теоретики изо всех сил пытаются объяснить, как эти черные дыры смогли достаточно быстро набрать вес, чтобы достичь размеров, наблюдаемых в ранней Вселенной.
Альтернативное объяснение состоит в том, что ранняя Вселенная была усеяна черными дырами, содержащими десятки тысяч солнечных масс. Сформировались они, вероятно, в результате коллапса гигантских облаков газа и пыли. Маленькие зародыши черных дыр самого раннего поколения звезд выросли поразительно быстро, сформировав миллиарды объектов солнечной массы в ранней Вселенной.
Как обнаружили черную дыру?
В карликовых галактиках действительно трудно увидеть черные дыры в их центре. В более крупных галактиках астрономы могут использовать орбиту звезд в центре, чтобы сделать вывод о местоположении черной дыры, но карликовые галактики слишком малы и тусклы для этого. Другой метод заключается в поиске чрезвычайно яркого высокоэнергетического излучения, такого, как рентгеновские лучи. Это предполагает черную дыру, которая активно аккрецирует материал, нагревая его до таких безумных температур, что он испускает высокоэнергетический свет.
Именно этот свет и обнаружили астрономы в карликовой галактике Mrk 462 с помощью космической рентгеновской обсерватории Chandra. Оказалось, что там находится маленькая сверхмассивная дыра, которая поглощает вещество, и ее масса примерно в 200 тыс. раз больше солнечной.
Самая маленькая чёрная дыра во Вселенной
Они обнаружили, что в свете можно нуждаться так же, как в еде.
— Стивен Кинг
Когда вы смотрите вверх и проникаете в глубины ночного неба, вы сразу же вспоминаете о том, что существует целая Вселенная, полная чудес. Но в дополнение к метеорам, планетам, звёздам, туманностям и галактикам, освещающим Вселенную, есть и другие формы материи, полностью невидимые нашему глазу.
И я не говорю про холодный газ и пыль, незаметные в видимом диапазоне. Эти предметы сделаны из тех же строительных кирпичиков – протонов, нейтронов, электронов – что и мы. И хотя они могут и не испускать (и даже не поглощать) видимый свет, если мы будем наблюдать на нужных длинах волн, мы и их увидим.
Когда мы направляем лучшие обсерватории на «тёмные» полосы пыли, расположенные по направлению к центру Галактики, вот что мы видим:
И всё же, даже если мы толкуем про нормальную материю – из которой сделаны звёзды, планеты, газ, пыль, вы и я – всё равно найдутся источники, не испускающие никакого света ни на каких длинах волн. Они и не могут это делать, так как по определению, от них ничто не может убежать.
Я, конечно же, говорю о чёрных дырах.
Мы знаем, что эти объекты существуют, не только теоретически, но и из наблюдений. Просто посмотрев на центральный регион нашей Галактики, мы можем отследить орбиты звёзд и обнаружить, что они перемещаются вокруг центрального объекта, имеющего массу в четыре миллиона солнечных, который, при этом, не испускает света.
На самом деле, в центре большинства галактик находятся сверхмассивные чёрные дыры, многие из которых в тысячи раз тяжелее монстра в центре Млечного пути. Они представляют крупнейшие из чёрных дыр Вселенной, и формируются, как считается, путём слияния и поглощения миллионов древних трупов мёртвых массивных звёзд.
Конечно, самые яркие и крупные, массивные звёзды, легче увидеть, если посмотреть на молодой звёздный кластер. Можно решить, что из-за того, что они больше других, то и живут они дольше, так как имеют больше запасов горючего, но на самом деле, верно обратное!
Самые массивные звёзды, классов О и В, буквально в десятки тысяч раз ярче, чем Солнце, из-за того, что они сжигают своё топливо в десятки тысяч раз быстрее. И хотя они имеют массу в десятки или сотни раз больше, чем Солнце, они сжигают своё топливо так быстро, что время их жизни может составлять лишь несколько миллионов (или даже несколько сотен тысяч) лет! А когда самые массивные звёзды умирают, они умирают не просто во взрыве сверхновой…
Ядро звезды также коллапсирует, и оставляет за собой либо нейтронную звезду, либо чёрную дыру!
Это давление получается из-за того, что квантовым частицам требуется большее усилие для их сжатия, чем способна произвести гравитация Солнца. Но звезда с массой, превышающей 400% массы нашей, превратится в сверхновую, а её центральный регион сколлапсирует, пройдя атомное состояние, и дальше до ядра из чистых нейтронов! Вместо размера Земли нейтронная звезда солнечной массы будет заключена в сферу диаметром в несколько километров.
И хотя в ядре остаётся лишь малая доля исходной звезды, масса нейтронных звёзд колеблется от солнечной аж до троекратной солнечной массы. Но для массы за этим пределом даже нейтроны поддаются силе гравитации, и сжимаются до размеров настолько малых, что свет не может убежать от них. На этом этапе мы переходим от нейтронной звезды к чёрной дыре!
Так какая же из известных чёрных дыр будет минимальной? В данный момент существуют три кандидата, и некоторые из них ближе к победе, чем другие.
IGR J17091-3624: чёрная дыра в двойной системе, которую мы можем обнаружить благодаря сильным звёздным ветрам, создаваемым двойной системой. Вместо того, чтобы падать в чёрную дыру, 95% материи, высасываемой со звезды-компаньона, вылетает в межзвёздное пространство. Это на самом деле чёрная дыра малой массы, но точность измерений даёт нам разброс от 3 до 10 солнечных масс.
GRO J0422+32: ещё одна мерцающая двойная система, расположенная всего в 8000 световых лет от Земли, и оценки её массы очень сильно варьируются. Некоторые команды считают, что это нейтронная звезда с массой всего в 2,2 раза больше солнечных; другие утверждают, что её масса ближе к 4-м солнечным, а ещё одни – к 10 солнечным. Окончательного решения пока нет, но если бы я делал ставки на самую маленькую из известных чёрных дыр, я поставил бы на этого кандидата.
XTE J1650-500: вначале было объявлено, что его масса составляет 3,8 солнечных, но с тех пор оценки изменились до 5 солнечных масс. Эта двойная система испускает рентгеновское излучение из аккреционного диска, и по мере изучения объектов этого класса мы открываем связь между испущенным излучением и массой самой чёрной дыры!
Где бы ни лежала эта граница между нейтронной звездой и чёрной дырой – будь это 2,5 или 2,7, или 3,0, или 3,2 солнечных массы – именно там, как вы могли бы рассуждать, и нужно искать минимальные чёрные дыры. Но существуют ещё три возможности, которые мы можем обнаружить!
1) Слияние нейтронных звёзд! Именно этот процесс приводит к появлению во Вселенной очень тяжёлых элементов, таких, как золото, и происходит он в результате столкновения двух нейтронных звёзд. Нейтронные звёзды встречаются гораздо чаще чёрных дыр, и хотя их столкновения редки, и случаются раз в 10 000 – 100 000 лет в галактике, если вспомнить, что Вселенной уже больше 10 миллиардов лет, и что в ней содержится почти триллион галактик.
Вполне возможно, что при столкновении двух нейтронных звёзд, даже если их масса не пересечёт этот лимит для формирования чёрной дыры, в результате всё равно появится чёрная дыра, с массой меньшей, чем у сформировавшихся после взрыва сверхновой. Так что есть надежда найти чёрную дыру массой чуть больше двух солнечных в нашей Галактике, поскольку она должна была видеть от 100 000 до 1 000 000 таких событий!
Допустим, вас не устроит масса имеющихся в наличии чёрных дыр и вы хотите сделать чёрную дыру ещё меньше. Хорошие новости: вам нужно лишь подождать!
2) Чёрные дыры со временем теряют массу! Поскольку природа Вселенной квантовая, чёрные дыры не являются статичными объектами из-за постоянного появления флюктуаций частица-античастица, происходящих как внутри, так и снаружи, и на горизонте событий чёрной дыры. И хотя это происходит довольно медленно, чёрные дыры испаряются благодаря процессу, известному, как излучение Хокинга.
При этом от чёрных дыр идёт не поток частиц или античастиц, а очень низкоэнергетическое и почти постоянное излучение чёрного тела.
На больших промежутках времени, порядка 10 68 или 10 69 лет, чёрные дыры наименьших масс испарятся, теряя свою массу поначалу медленно, а затем чрезвычайно быстро, испаряя последние несколько тонн за несколько микросекунд.
Так что, если вы хотите получить чёрные дыры ещё меньшей массы, чем есть сейчас, просто подождите. Ну а если они нужны вам прямо сейчас – у меня для вас плохие новости.
3) Вселенная могла родиться с микроскопическими чёрными дырами, однако не родилась. Идея первобытных чёрных дыр появилась ещё в 1970 годах, и она по-своему гениально. Вселенная когда-то была в горячем, плотном, однородном и быстро расширяющемся состоянии. Если в то время какой-нибудь регион был бы всего на 68% плотнее среднего, он автоматически схлопнулся бы в чёрную дыру, а если бы у вас было много подобных регионов, мы бы получили Вселенную, наполненную микроскопическими чёрными дырами.
Но мы измерили величину флюктуаций плотности в очень ранней Вселенной, и как она изменяется с масштабом – если спускаться с крупнейших масштабов вниз до самых мелких из измеряемых.
Вместо флюктуаций в 68% обычные колебания достигали мощности лишь в 0,003%, чего явно недостаточно для появления Вселенной с хотя бы одной первобытной чёрной дырой. Хуже того, если идти на всё уменьшающиеся масштабы, это становится практически невероятным. Если бы всё было по-другому, Вселенная была бы наполнена ими; но это просто не наша Вселенная.
Такова история мельчайших чёрных дыр во Вселенной, от известных нам до пока не найденных, и до тех, появления которых нужно просто подождать!
Найдена рекордно маленькая черная дыра
Астрономы обнаружили самую маломассивную известную на данный момент черную дыру. Она тяжелее Солнца примерно в 3,3 раза и входит в двойную систему со звездой-гигантом, но из-за большого расстояния между компонентами фактически они взаимодействуют лишь гравитационно. Подобные системы должны быть распространены во Вселенной, но у ученых только появляются подходящие инструменты для обнаружения черных дыр такого типа, пишут авторы в журнале Science.
Черные дыры формально могут обладать массой в очень большом диапазоне, но из-за того, что условия формирования таких объектов весьма специфичны, их разделяют на несколько групп. Наиболее распространены среди них черные дыры звездных масс, а также сверхмассивные черные дыры. Первые образуются в результате коллапса ядра массивной звезды в конце ее эволюции, а их масса составляют от единиц до десятков солнечных. Второй тип располагается в центрах галактик, их массы измеряются миллионами и миллиардами солнечных.
Также могут существовать черные дыры промежуточных масс, то есть в тысячи раз тяжелее Солнца. Долгое время их не могли обнаружить, но в последние годы было найдено несколько кандидатов в такие объекты. Совершенно иной механизм формирования предлагается для гипотетических первичных черных дыр, которые формировались в ранней Вселенной и могут обладать намного меньшими массами, сравнимыми с планетами или их спутниками. Однако существование таких тел пока остается неподтвержденным.
Черные дыры звездных масс изучены лучше всего. Как правило, их обнаруживают в тесных двойных системах с обычной звездой. Из-за интенсивного взаимодействия между компонентами часть вещества звезды постоянно перетекает на черную дыру. Падая в глубокий гравитационный потенциал, эта материя разогревается до миллионов кельвинов и начинает ярко светить в рентгеновском диапазоне.
Астрономам из США и Швеции под руководством Тодда Томпсона (Todd Thompson) из Университета штата Огайо в новой работе подробно описали открытие представителя нового подтипа черных дыр звездных масс. Этот объект входит в широкую двойную систему с обычной звездой-гигантом. Тела обращаются вокруг центра масс с периодом в 83 дня — на столь большом расстоянии между ними не происходит заметного обмена веществом, из-за чего черная дыра сама не проявляет активности. Обнаружить ее удалось путем наблюдения периодических сдвигов в спектральных линиях звезды-компаньона, то есть методом лучевых скоростей, который также используется для обнаружения экзопланет.
Открытие стало возможным благодаря систематическому обзору 100 тысяч звезд в рамках программы APOGEE (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment — эксперимент по галактической эволюции в Обсерватории Апачи-Пойнт). Из этого каталога удалось выделить 200 наиболее интересных звезд, спектры которых проявляли заметное периодическое движение. Наиболее убедительные данные удалось получить для звезды 2MASS J05215658+4359220.
Авторы осторожны и не исключают, что на самом деле этот объект может оказаться нейтронной звездой, но в таком случае результаты будут еще более удивительными, так как на данный момент самая массивная известная нейтронная звезда тяжелее Солнца в 2,17 раза, и это значение считается очень близким к максимальной допустимой массе такого объекта. При превышении предельной массы гравитация преодолеет все виды сопротивления вещества и тело должно коллапсировать в черную дыру.
Вне зависимости от истинной природы тела, астрономы впервые обнаружили объект, однозначно находящийся в массовой щели между нейтронными звездами и черными дырами, на которую приходятся массы от 2,5 до 5 солнечных.
Ранее гравитационное линзирование помогло измерить вращение сверхмассивных черных дыр. Также недавно сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути пробудилась. Основным достижением в области исследований черных дыр за последнее время стало получение первого изображения тени черной дыры, о которой мы писали материале «Заглянуть за горизонт».