Доктор Джейн Лісін Дай та професор Енріко Рамірес-Руїс з Інституту Нільса Бора представили важливу комп'ютерну модель. З її допомогою можна вивчити подію приливної руйнації - рідкісні, але дуже потужні події в галактичних центрах.
Приливні руйнування
У центрі кожної великої галактикиховається надмасивна чорна діра, яка за масою перевершує сонячну в мільйони та мільярди разів. Але більшу частину складно спостерігати, бо вони не виділяють випромінювання. Це трапляється, коли певна формаматеріалу втягується в дуже потужне гравітаційне поле чорної діри. Приблизно кожні 10000 років у одній галактиці зірка наближається на небезпечну дистанцію до дірки, і гравітація останньої розриває об'єкт. Цю подію називають гравітаційним припливом.
При цьому процесі чорна діра переповнюється зірковими уламками на визначений час. При поглинанні зоряного газу вивільняється дуже багато випромінювання. Завдяки цьому можна вивчити характеристики дірки.
Об'єднана модель
У період припливу деякі дірки випромінюють рентгенівське проміння, а інші - видиме світлота УФ. Важливо розібратися в цій різноманітності і скласти цілий пазл. У новій моделі постаралися врахувати кут огляду земного спостерігача. Вчені вивчають Всесвіт, але галактики орієнтовані випадковим чином.
Нова модель об'єднує елементи із загальної теорії відносності, магнітного поля, випромінювання та газу, завдяки чому вдається розглянути приливну подію з різних точокзору та зібрати всі дії в єдину структуру.
Співробітництво та перспективи
Робота стала можливою завдяки співпраці Інституту Нільса Бора та Каліфорнійського університету у Санта-Крус. Підключилися і дослідники з Університету штату Меріленд. Для вирішення задачі використовувалися сучасні обчислювальні інструменти. Прорив забезпечив перспективу для зростаючої області досліджень.
Поняття чорної діри відоме всім - від школяра до людей похилого віку, воно використовується в науковій та фантастичній літературі, у жовтих ЗМІ та на наукових конференціях. Але що конкретно є такі дірки, відомо далеко не всім.
З історії чорних дірок
1783 р.Перша гіпотеза існування такого явища, як Чорна діра, була висунута в 1783 англійським вченим Джоном Мічеллом. У своїй теорії він об'єднав два витвори Ньютона - оптику та механіку. Ідея Мічелла була така: якщо світло – це потік найдрібніших частинок, те, як і всі інші тіла, частинки повинні відчувати тяжіння гравітаційного поля. Виходить, чим масивніша зірка, тим складніше світлапротивитися її тяжінню. Через 13 років після Мічелла французький астроном і математик Лаплас висунув (швидше за все, незалежно від британського колеги) схожу теорію.
1915 р.Однак, усі їхні праці залишалися незатребуваними аж до початку XX ст. В 1915 Альберт Ейнштейн опублікував Загальну теорію відносності і показав, що гравітація є викривлення простору-часу, викликане матерією, а через кілька місяців німецький астроном і фізик-теоретик Карл Шварцшильд використовував її для вирішення конкретної астрономічної задачі. Він досліджував структуру викривленого простору-часу навколо Сонця і наново відкрив феномен чорних дірок.
(Джон Уілер ввів у науковий побут термін "Чорні дірки")
1967 р. Американський фізикДжон Уілер описав простір, який можна зім'яти, подібно до аркуша паперу, в нескінченно малу точку і позначив терміном "Чорна діра".
1974 р.Британський фізик Стівен Хокінг довів, що чорні дірки, хоч і поглинають метерію без повернення, можуть випромінювати і врешті-решт випаровуватися. Таке явище отримало назву "випромінювання Хокінга".
Наш час. Новітні дослідженняпульсарів і квазарів, а також відкриття реліктового випромінювання, нарешті уможливили описати саме поняття чорних дірок. У 2013 році газова хмара G2 наблизилася на дуже близька відстаньдо Чорної дірки та швидше за все буде поглинено їй, спостереження за унікальним процесом дасть величезні можливості для нових відкриттів особливостей чорних дірок.
Чим насправді є чорні дірки
Лаконічне пояснення феномена звучить так. Чорна дір - це просторово-часова область, чиє гравітаційне тяжіннянастільки велике, що її може залишити жоден об'єкт, зокрема світлові кванти.
Колись чорна дірка була масивною зіркою. Бувай термоядерні реакціїпідтримують у її надрах високий тиск, Все залишається в нормі. Але згодом запас енергії виснажується і небесне тіло, під впливом своєї гравітації, починає стискатися. Завершальний етап цього процесу - схлопування зіркового ядра та утворення чорної дірки.
- 1. Викидання чорної дірою струменя на високій швидкості
- 2. Диск матерії переростає у чорну дірку
- 3. Чорна діра
- 4. Детальна схемарегіону чорної діри
- 5. Розмір знайдених нових спостережень
Найпоширеніша теорія свідчить, що подібні феномени є в кожній галактиці, у тому числі і в центрі нашого Чумацького шляху. Величезна сила тяжіння дірки здатна утримувати навколо себе кілька галактик, не даючи їм віддалятися один від одного. "Площа покриття" може бути різною, все залежить від маси зірки, яка перетворилася на чорну дірку, і може становити тисячі світлових років.
Радіус Шварцшильда
Головна властивість чорної дірки - будь-яка речовина, яка до неї потрапила, ніколи не зможе повернутися. Те саме стосується і світла. За своєю суттю дірки - це тіла, які повністю поглинають все світло, що потрапляє на них, і не випускають власного. Такі об'єкти візуально можуть здаватися згустками абсолютної темряви.
- 1. Матерія, що рухається, в половину швидкості світла
- 2. Фотонне кільце
- 3. Внутрішнє фотонне кільце
- 4. Обрій подій у чорній дірі
Відштовхуючись від Загальної теоріївідносності Ейнштейна, якщо тіло наблизилося на критичну відстань до центру дірки, воно вже не зможе повернутися. Цю відстань називають радіусом Шварцшильда. Що саме відбувається всередині цього радіусу невідомо, але є найбільш поширена теорія. Вважається, що вся речовина чорної дірки концентрується в нескінченно малій точці, а в її центрі знаходиться об'єкт з нескінченною щільністю, який вчені називають сингулярним обуренням.
Як відбувається падіння в чорну дірку
(На картинці чорна діра Стрільця А* виглядає вкрай яскравим скупченням світла)
Нещодавно, в 2011 році, вчені виявили газову хмару, давши їй нескладну назву G2, яка випромінює незвичайне світло. Таке свічення може давати тертя у газі та пилу, що викликається дією чорної діри Стрільця А* і які обертаються навколо неї у вигляді акреційного диска. Таким чином, ми стаємо спостерігачами дивовижного явищапоглинання надмасивною чорною дірою газової хмари.
за останнім дослідженнямНайбільше зближення із чорною діркою відбудеться у березні 2014 року. Ми можемо відтворити картину того, як буде це захоплююче видовище.
- 1. При першій появі в даних газова хмара нагадує величезну кулю з газу та пилу.
- 2. Зараз станом на червень 2013 року хмара знаходиться за десятки мільярдів кілометрів від чорної діри. Воно падає до неї зі швидкістю 2500 км/с.
- 3. Очікується, що хмара пройде повз чорну дірку, але приливні сили, спричинені різницею в тяжінні, що діє на передній і задній край хмари, змусять її набувати все більш витягнутої форми.
- 4. Після того, як хмара буде розірвана, більша її частина, швидше за все, увіллється в акреційний диск навколо Стрільця А*, породжуючи в ньому ударні хвилі. Температура при цьому підскочить до кількох мільйонів градусів.
- 5. Частина хмари впаде прямо в чорну дірку. Ніхто не знає точно, що станеться потім із цією речовиною, але очікується, що в процесі падіння воно випускатиме потужні потоки рентгенівських променів, і більше його ніхто не побачить.
Відео: чорна діра поглинає газову хмару
(Комп'ютерне моделювання того, як більша частинагазової хмари G2 буде зруйновано та поглинено чорною діркою Стрільцем А*)
Що там усередині чорної дірки?
Є теорія, яка стверджує, що чорна діра всередині практично порожня, а вся її маса зосереджена в неймовірно маленькій точці, що знаходиться в її центрі - сингулярності.
Згідно з іншою теорією, що існує протягом півстоліття, все, що потрапляє в чорну дірку, переходить в інший всесвіт, що знаходиться в самій чорній дірі. Нині ця теорія перестав бути основний.
І є третя, найсучасніша і живуча теорія, за якою все, що потрапляє в чорну дірку, розчиняється в коливаннях струн на її поверхні, яку позначають як горизонт подій.
Так що ж таке – обрій подій? Всередину чорної дірки не можна зазирнути навіть надпотужним телескопом, оскільки навіть світло, потрапляючи всередину гігантської космічної вирви, не має шансів виринути назад. Все, що можна хоч якось розглянути, знаходиться в її найближчих околицях.
Горизонт подій – це умовна лініяповерхні, з-під якої ніщо (ні газ, ні пил, ні зірки, ні світло) вийти вже не зможе. І ось це і є та сама таємнича точка неповернення в чорних дірах Всесвіту.
Астрофізики зафіксували найдовшу за всю історію спостережень загибель зірки у чорній дірі – тривалість процесу перевищила аналогічні випадки більш ніж у 10 разів. Справа в тому, що чорна діра поглинає зірку вдвічі більше за Сонце по масі. За словами вчених, за час активного спостереженняза Всесвітом загибель такої великої зірки у чорній дірі спостерігається вперше. Про те, чи зможе виявлений процес пролити світло на освіту чорних дірок величезної маси через мільярд років після виникнення Всесвіту – у матеріалі RT.
- Загибель зірки у чорної діри XJ1500+0154 у виставі художника. У нижній частині - фото того, що відбувається: в видимому спектрі(ліворуч), у рентгенівському діапазоні
- nasa.gov
Випадкове відкриття
Процес зафіксувала міжнародна група вчених, роботою яких керував Дачен Лін із Космічного. наукового центрууніверситету Нью-Гемпшира. Аналогічні події на пам'яті вчених займали максимум близько року, тоді як процес, що відбувається у чорної дірки під назвою XJ1500+0154, розпочався ще 2005 року. Загиблу під дією приливних сил зірку розірвало на частини, і надмасивна чорна діра продовжує поглинати залишки.
Рентгенівське випромінювання, що випускається розігрітими до мільйонів градусів уламками зірки, астрофізики помітили випадково за допомогою космічного телескопа XMM-Newton. У той момент вони вивчали скупчення галактик під назвою NGC 5813 у сузір'ї Діви за 105 мільйонів світлових років від Землі. Сильне випромінювання привернуло увагу вчених на етапі аналізу знімків NGC 5813. У 2008 році телескоп «Чандра» зафіксував, що інтенсивність випромінювання об'єкта, що випадково потрапив на знімок і знаходився набагато далі вивчається скупчення галактик, перевищила перші зафіксовані значення. У наступні роки, включаючи 2014-й та 2016-й, додаткові дані отримав телескоп Swift.
Головне - правильно харчуватися
«Велику частину часу спостереження об'єкт швидко зростає, – зазначив Джеймс Гіллочон із Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики. — Це говорить дещо незвичайне: чорна діра поглинає зірку вдвічі більше за Сонце по масі».
За словами вчених, за час активного спостереження за Всесвітом загибель такої великої зірки у чорній дірі спостерігається вперше.
Крім того, дослідники відзначили, що рентгенівське випромінювання, що реєструється, регулярно виходить за допустимі рамки так званої межі Еддінгтона. Цей параметр вказує на співвідношення нагрітої речовини, що випускається, і сили тяжіння, яка притягує речовину до центру об'єкта. Виходячи з того, як порушується це співвідношення біля чорної діри, що спостерігається, астрофізики дійшли висновку, що вона росте швидше за вважався нормальним темпом. За їхніми словами, подібним чиноммогли з'являтися надмасивні чорні дірки лише через мільярд років після утворення Всесвіту. Це важливий висновокОскільки древні об'єкти такої величезної маси — в мільярди разів більше Сонця — вже фіксувалися, але їх виникнення до кінця не зрозуміло.
З 1990 років астрономи не раз спостерігали розпад зірки та поглинання її чорною діркою. У цьому процесі, потрапивши під дію сили тяжіння потужного об'єкта, зірка розпадається на фрагменти. Речовина, з якої вона складалася, розподіляється як плоский диск. Більшу його частину і поглинає чорна діра, а решта розсіюється у просторі.
У зафіксованому випадку, крім загибелі масивної зіркиє й інший варіант, що не менш інтригує. Якби до чорної діри наблизилася зірка більш скромних розмірів і розпалася б повністю, ефект, що спостерігається, був би той же. Зазвичай повного поглинання немає, отже цю подію побачили б вперше під час дослідження космосу.
Останні рентгенівські промені
Місце, де розташована чорна діра, яку жартома вже називають найненажерливішою з тих, що будь-коли спостерігалися, збігається з імовірним розташуванням космічного об'єктавеличезної маси в центрі невеликої галактики, де активно йде утворення зірок. Про детальні знімки того, що відбувається на такій відстані від Землі — 1,8 млрд світлових років, очевидно, говорити не доводиться. Проте своє бачення загибелі величезної зірки через чорну дірку представили художники.
У наступні кілька років фахівці очікують на падіння інтенсивності випромінювання: уламки величезної зірки, якими живиться чорна діра, будуть закінчуватися. Частина їх розсіється в космосі. Астрофізики зазначають, що випромінювання вже пішло на спад, проте об'єкт все ще зберігає неймовірну яскравість.
Як заявили дослідники, знаючи про можливість процесів із властивостями, які вдалося встановити, вони розпочнуть пошук аналогічних випадків. Однак вони зазначають, що продовжать стежити і за XJ1500+0154. По-перше, вони зможуть відстежити зміни випромінювання, яке, за їх прогнозами, триватиме ще близько 10 років. По-друге, їхні власні висновки поки що потребують додаткової перевірки.
Вчені підозрювали, що потужність радіовипромінюючих викидів із чорної діри залежить від швидкості акреції, але раніше не спостерігали цей зв'язок безпосередньо.
Like Love Haha Wow Sad Angry
11 листопада 2014 року глобальна мережа телескопів отримала сигнали від вибуху, що виник у 300 мільйонах світлових років від Землі в момент, коли чорна діра розірвала зірку, що проходить повз неї. Астрономи націлилися на подію іншими телескопами, що дозволило більше дізнатися, як чорні діри поглинають матерію і регулюють зростання галактик.
Вчені з Массачусетського технологічного інституту(США) та Університету Джона Хопкінса (США) спіймали радіосигнали, що на 90% перетинаються з тими далекими рентгенівськими сплесками, але відбуваються із затримкою за 13 днів від них. Вони вважають, що дані свідчать про гігантський струмінь високоенергетичних частинок, що випливають із чорної дірки внаслідок падіння зіркового матеріалу.
Поглинання зірки чорною діркою у виставі художника. Credit: ESO/L. Calçada
Ведучий автор дослідження Дехей Пашам вважає, що потужність струменя, що вилітає з чорної дірки, якимось чином контролюється швидкістю, з якою вона живиться зруйнованою зіркою. «Сита» чорна діра створює сильний струмінь, у той час як чорна діра, що недоїдає, виробляє слабкий джет або взагалі не має його. Вчені підозрювали, що потужність викидів залежить від швидкості акреції, але раніше не спостерігали цей зв'язок безпосередньо.
Предмет обговорень
Грунтуючись на теоретичні моделіеволюції чорних дірок у поєднанні із спостереженнями віддалених галактик, вчені мають загальне розуміннятого, що відбувається під час події приливного руйнування: коли зірка проходить близько до чорної діри, гравітаційна потяг чорної діри збуджує приливні сили на зірці, подібно до того, як Місяць створює океанічні припливи на Землі. Гравітація чорної дірки настільки величезна, що може зруйнувати зірку. Зоряні уламки потрапляють у вихор матеріалу, який живить монстра.
Весь процес генерує колосальні сплески енергії по всьому електромагнітного спектру. Вчені спостерігали їх на оптичних, ультрафіолетових та рентгенівських смугах, а також на радіохвилях. Джерелом рентгенівських випромінювань вважається ультрахолодний матеріал внутрішніх областей акреційного диска, який ось-ось впаде в чорну дірку, а оптичне та ультрафіолетове випромінювання, ймовірно, надходить від зовнішніх областей акреційного диска.
Однак те, що породжує радіовипромінювання під час припливного руйнування, ще обговорюється. Деякі вчені припускають, що в момент зіркового вибуху ударна хвиляпоширюється назовні і збуджує частинки плазми навколишньому середовищі, яка, у свою чергу, випромінює радіохвилі. За такого сценарію картина радіохвиль радикально відрізнятиметься від картини рентгенівських променів, що походять від зіркових уламків, і нове дослідження кидає виклик цій парадигмі.
Картина зсуву
Дехей Пашам та його колега Сьорт ван Велцен з Університету Джона Хопкінса переглянули дані, зареєстровані в результаті спалаху, виявленого у 2014 році глобальною мережеютелескопів ASASSN (All-sky Automated Survey for Supernovae). Незабаром після цього відкриття кілька телескопів зосередилися на цьому незвичайній події. Вчені простежили радіоспостереження трьох телескопів за 180 днів і виявили явний збіг з рентгенівськими даними тієї ж події, хоч і дещо зміщену за часом. Астрономи встановили, що набори даних мають 90-відсоткову схожість при зрушенні на 13 днів. Тобто флуктуації у рентгенівському спектрі через 13 днів виявились у радіодіапазоні.
«Визначити таку залежність може лише фізичний процес, який якимось чином пов'язує рентгенівське випромінювання потоку акреції із областю радіовиробництва», – пояснює Дехей Пашам.
З цих же даних вчені підрахували, що розмір рентгенівських променів області, що виробляє, приблизно в 25 разів перевищує розмір Сонця, тоді як радіовипромінююча область приблизно в 400 000 разів перевищує радіус Сонця. Команда припускає, що радіохвилі випромінюються струменем частинок високих енергій, які почали витікати з чорної дірки невдовзі після поглинання матеріалу знищеної зірки.
Оскільки область джета, в якій радіохвилі були сформовані, неймовірно щільно заповнена електронами, більшість випромінювання була негайно поглинена іншими електронами. Тільки коли електрони просунулися джетом, радіохвилі були вивільнені. Це і був сигнал, який зрештою виявили дослідники. Таким чином, потужність струменя контролюється швидкістю акреції, з якою чорна діра поглинає зіркові уламки, що випромінюють у рентгенівському діапазоні.
Випадково опинившись надто близько до чорної діри, вас розтягне, як спагетті
Потужне випромінювання підсмажить вас, перш ніж ви «спагетизуєтесь»
Ви навіть не встигнете помітити, як чорна діра поглине Землю
І разом з цим, чорна діра може створити голограму всієї планети
Чорні дірки давно вже викликають велике хвилювання та інтриги.
Після виявлення гравітаційних хвиль, інтерес до чорних дірок, безумовно, тепер зросте.
Незмінним залишається одне питання - що ж станеться з планетою та людством, якщо теоретично припустити, що чорна діра виявиться поряд із Землею?
Найвідомішим наслідком сусідства чорної діри стане явище під назвою "спагеттифікація". Коротше кажучи, якщо ви опинитеся надто близько до чорної діри, вас розтягне, як спагетті. Цей ефект спричинений дією гравітації на ваше тіло.
Уявіть, що спочатку у напрямку чорної дірки опинилися ваші ноги.
Так ваші ноги знаходяться ближче до чорної дірки, вони відчуватимуть сильніше тяжіння, ніж ваша голова.
Гірше того, ваші руки через те, що вони не в центрі вашого тіла, будуть розтягнуті в іншому напрямку, ніж ваша голова. Краї вашого тіла втягнуться усередину. Зрештою, ваше тіло не тільки розтягнеться, а й стане тонким посередині.
Отже, будь-яке тіло або інший об'єкт, такий як Земля, нагадуватиме спагетті задовго до того, як потрапить у центр чорної дірки.
Що трапилося б, гіпотетично, якби чорна діра раптом опинилася б поряд із Землею?
Ті ж гравітаційні ефекти, які можуть призвести до «спагеттифікації», відразу почнуть набирати чинності. На той бік Землі, який виявиться ближче до чорної дірки, гравітаційні силидіятимуть сильніше, ніж на протилежний бік. Таким чином, загибель усієї планети була б неминучою. Її б розірвало.
Якби планета опинилася в радіусі дії надпотужної чорної діри, ми навіть не встигли б нічого помітити, оскільки вона проковтнула б нас за мить.
Але, перш ніж грім гримне, ми ще маємо час.
Якби трапилася така невдача, і ми провалилися б у чорну дірку, то могли б опинитися на голографічній подобі нашої планети.
Цікаво, що чорні дірки не обов'язково чорні.
Квазари – це яскраві ядра далеких галактик, що живляться енергією випромінювання чорних дірок.
Вони бувають настільки яскравими, що перевищують потужність випромінювання всіх зірок власних галактик.
Таке випромінювання проявляється, коли чорна діра бенкетує над новою матерією.
Щоб було зрозуміло: те, що ми досі можемо бачити, це матерія поза радіусом дії чорної діри. У радіусі її дії немає нічого, навіть світла.
Під час поглинання матерії випромінюється колосальна енергія. Саме це світіння видно під час спостереження за квазарами.
Тому, об'єктам, що опинилися в безпосередньої близькостідо чорної дірки буде дуже жарко.
Задовго до «спагеттифікації» потужне випромінюванняпідсмажить вас.
Для тих, хто дивився фільм Крістофера Нолана «Інтерстеллар», перспектива планети, що обертається навколо чорної діри, може бути привабливою лише в одному випадку.
Для розвитку життя необхідне джерело енергії чи перепад температур. І чорна дірка може стати таким джерелом.
Проте є одна умова.
Чорна діра має припинити поглинати будь-яку матерію. Інакше вона випускатиме надто багато енергії, щоб підтримувати життя на сусідніх світах. На що буде схоже життя в такому світі (за умови, що він перебуватиме не надто близько, інакше «спагетизується»), але це вже інше питання.
Кількість енергії, яку отримуватиме планета, швидше за все, буде крихітною в порівнянні з тим, що отримує Земля від Сонця.
І місце існування на такій планеті буде досить дивним.
Ось тому, при створенні фільму «Інтерстеллар» Торн консультувався з вченими для забезпечення точності зображення чорної діри.
Всі ці фактори не виключають життя, просто у неї досить жорстка перспектива і дуже важко передбачити, як воно виглядатиме.