Вес черной дыры


Сверхмассивную черную дыру в галактике NGC 4889, которая принадлежит к сверхскоплению Волосы Вероники, американские астрономы обнаружили еще в 2011 году. Уже тогда ученые высказали предположение, что это самый тяжелый и крупный объект в видимой части Вселенной. Об этом свидетельствовал и окружающий пейзаж: NGC 4889 является по сути дела мертвой галактикой, поскольку ее черная дыра поглотила почти все запасы холодного газа, из которого образуются новые звезды.

Однако вычислить точные размеры гигантского образования удалось только сейчас. С помощью космического телескопа «Хаббл» ученые измеряли яркость, скорость и направление движения звезд, которые сохранились в окрестностях черной дыры. С помощью этих данных ученые определили, с какой силой дыра притягивала к себе звезды. А затем через силу вычислили вес объекта.

Он составил 21 миллиард солнечных масс. А диаметр дыры-рекордсменки — 130 миллиардов километров. Для сравнения среднее расстояние от Солнца до Плутона около 6 миллиардов километров. Значит в горизонте событий (это внешние границы черной дыры) могут совершенно спокойно уместиться 10 Солнечных систем, выстроенных по линии одна за другой.


Размеры супермассивной черной дыры потрясают. Для сравнения гравитационные волны, об открытии которых на прошлой неделе заявили астрофизики, были образованы слиянием двух черных дыр, масса которых лишь в 29 и 36 раз тяжелее Солнца.

Галактика NGC 4889 вместе со своей черной дырой находятся на расстоянии 335 миллионов световых лет от нашей планеты. Но есть похожие образования, хотя и менее масштабные, и поближе к Земле.

Согласно современным представлениям о Вселенной большие черные дыры находятся в центре большинства галактик. Есть такая штуковина и у нашей галактики Млечный Путь. Астрономы называют этот объект Стрелец А*. Можно сказать, что до него рукой подать, расстояние до «домашней» черной дыры составляет 26 тысяч световых лет. По сравнению с дырой-рекордсменкой, наша представляет собой изящную миниатюру. Ее масса – «всего» 3,7 миллиона масс. А диаметр около 7 миллиардов километров – около половины Солнечной системы.

Впрочем, пугаться этого соседства не стоит. Черные дыры не являются пожирателями галактик или планет. Они считаются обычными космическими объектами. Например, если бы вместо Солнца в центре нашей солнечной системы находилась черная дыра с аналогичной массой, то Земля продолжала спокойно вращаться по своей орбите – ее бы никуда не «засосало».
личие черных дыр от других небесных тел в том, что они обладают очень сильной гравитацией. Допустим, если бы Земля стала черной дырой, то по своему размеру она была похожа на небольшой грецкий орех. А вся масса Солнца уместилась бы в шар диаметром 5 километров. Вернее, в этом случае надо говорить не «шар», а «горизонт событий». Астрофизики утверждают, что у черной дыры нет поверхности, в которую можно было бы «ткнуть пальцем». И чтобы попасть внутрь черной дыры надо очень сильно приблизиться к этой пограничной черте — горизонту событий.

Что находится внутри, мы представляем себе слабо. Предполагается, что гравитация там настолько сильна, что ни свет, ни любая другая материя не могут покинуть границы черной дыры. Все что попало за горизонт событий – пропадает навсегда.

Есть версия, что внутри сингулярности (это центр дыры, образованный предельным сжатием вещества) находится пространственно-временной тоннель, с помощью которого можно попасть в параллельную Вселенную. Но так это или нет, ученые не могут сказать наверняка. Их знания о черных дырах весьма скудны. Во многом это объясняется, тем, что сложно было изучать объект, который не испускает никаких сигналов. Существование черных дыр было известно лишь по их влиянию на другие объекты. Но теперь после открытия гравитационных волн должен произойти научный прорыв. Теперь доказано, что черные дыры являются источниками гравитационных волн, и процесс изучения этих таинственных объектов пойдет семимильными шагами.

Источник: www.kp.ru

Общая информация


Удивительная особенность космического объекта – это сочетание небольшого радиуса, высокой плотности вещества черной дыры и невероятно большой массы. Все известные в настоящий момент физические качества такого объекта кажутся ученым странными, зачастую необъяснимыми. Даже самые опытные астрофизики все еще не перестают удивляться особенностям таких явлений. Основная особенность, позволяющая ученым идентифицировать черную дыру, – горизонт событий, то есть граница, из-за которой обратно уже ничего не возвращается, включая свет. Если некоторая зона навсегда отделена, границу отделения обозначают как горизонт событий. При временном отделении фиксируют наличие видимого горизонта. Иногда временное – очень растяжимое понятие, то есть область, возможно, отделяется на срок, превышающий текущий возраст Вселенной. Если наблюдается видимый горизонт, существующий продолжительное время, сложно отличить его от горизонта событий.

Во многом свойства черной дыры, плотность вещества, формирующего ее, обусловлены иными физическими качествами, действующими в нашем мире законами. Горизонт событий сферически-симметричной черной дыры – это сфера, чей диаметр обусловлен массой. Чем больше массы затянуто внутрь, тем крупнее дыра. И все же она остается удивительно маленькой на фоне звезд, поскольку гравитационное давление сжимает все, что находится внутри. Если представить дыру, чья масса соответствует нашей планете, то радиус такого объекта не превысит нескольких миллиметров, то есть будет в десять миллиардов меньше земного. Радиус назвали именем Шварцшильда — ученого, который впервые вывел черные дыры как решение для общей теории относительности Эйнштейна.

А внутри?


Попав в такой объект, человек вряд ли заметит на себе огромную плотность. Свойства черной дыры изучены недостаточно хорошо, чтобы можно было с уверенностью говорить, что произойдет, но ученые считают, что при пересечении горизонта ничего особенного выявить не получится. Это объясняется эквивалентным эйнштейновским принципом, объясняющим, почему формирующее кривизну горизонта поле и свойственное плоскости ускорение не имеют различий для наблюдателя. Отслеживая процесс пересечения издали, можно заметить, что объект начинает замедляться вблизи горизонта, словно время в этом месте течет медленно. Спустя некоторое время объект пересечет горизонт, попадет в радиус Шварцшильда.

Тесно связаны между собой плотность материи черной дыры, масса объекта, его габариты и приливные силы, поле гравитации. Чем радиус больше, тем плотность меньше. Радиус увеличивается с весом. Приливные силы находятся в обратно пропорциональной зависимости от веса, возведенного в квадрат, то есть с увеличением габаритов и уменьшением плотности приливные силы объекта снижаются. Удастся преодолеть горизонт раньше, чем заметить этот факт, если масса объекта очень большая. В первые дни общей теории относительности считалось, что на горизонте существует сингулярность, но оказалось, что это не так.

О плотности


Как показали исследования, плотность черной дыры, в зависимости от массы, может быть больше или меньше. Для разных объектов этот показатель варьируется, но всегда уменьшается с увеличением радиуса. Могут появиться сверхмассивные дыры, которые формируются экстенсивным путем за счет накопления материала. В среднем плотность таких объектов, масса которых соответствует суммарной массе нескольких миллиардов светил нашей системы, меньше плотности воды. Иногда она сравнима с уровнем плотности газа. Приливная сила этого объекта активизируется уже после того, как наблюдатель пересекает горизонт событий. Гипотетический исследователь не пострадает, подходя к горизонту, и будет падать многие тысячи километров, если найдет защиту от дисковой плазмы. Если наблюдатель не будет оглядываться, он не заметит, что горизонт пересечен, а если повернет голову, вероятно, увидит застывшие у горизонта световые лучи. Время для наблюдателя будет течь очень медленно, он сможет отследить события вблизи дыры вплоть до момента гибели — или ее, или Вселенной.

Чтобы определить плотность сверхмассивной черной дыры, нужно знать ее массу. Находят значение этой величины и объема Шварцшильда, свойственного космическому объекту. В среднем такой показатель, как считают астрофизики, исключительно маленький.
внушительном проценте случаев он меньше уровня плотности воздуха. Объясняют явление следующим образом. Радиус Шварцшильда прямо соотносится с весом, плотность же находится в обратной зависимости от объема, а значит, радиуса Шварцшильда. Объем находится в прямой зависимости от возведенного в куб радиуса. Масса увеличивается линейно. Соответственно, объем нарастает быстрее веса, и средняя плотность становится тем меньше, чем больше радиус изучаемого объекта.

Любопытно знать

Приливная сила, присущая дыре, является градиентом силы притяжения, которая на горизонте довольно велика, поэтому даже фотоны не могут отсюда вылететь. При этом увеличение параметра происходит довольно плавно, что и делает возможным преодоление наблюдателем горизонта без риска для себя.

Исследования плотности черной дыры в центре объекта пока сравнительно ограничены. Как установлено астрофизиками, чем центральная сингулярность ближе, тем уровень плотности выше. Указанный ранее механизм расчета позволяет получить очень усредненное представление о происходящем.

Ученые располагают исключительно ограниченными представлениями о происходящем в дыре, ее устройстве. Как считают астрофизики, распределение плотности в дыре не слишком значимо для стороннего наблюдателя, по крайней мере на текущем уровне. Гораздо информативнее уточнение гравитации, веса. Чем масса больше, там сильнее разведены друг от друга центр, горизонт. Звучат и такие предположения: сразу за горизонтом материя отсутствует в принципе, ее можно обнаружить лишь в глубине объекта.

Известны ли какие-то цифры?


О том, какова плотность черной дыры, ученые задумывались давно. Проводились определенные исследования, были сделаны попытки расчета. Приведем одну из них.

Солнечная масса составляет 2*10^30 кг. Дыра может сформироваться на месте объекта, который больше Солнца в несколько раз. Плотность самой легкой дыры оценивается в среднем в 10^18 кг/м3. Это на порядок превышает плотность ядра атома. Приблизительно таково же отличие от среднего плотностного уровня, свойственного нейтронной звезде.

Возможно существование сверхлегких дыр, чьи габариты соответствуют субъядерным частицам. Для таких объектов плотностный показатель будет запредельно большим.

Если наша планета станет дырой, ее плотность составит приблизительно 2*10^30 кг/м3. Впрочем, ученым пока не удалось выявить процессы, в результате которых наш космический дом может трансформироваться в черную дыру.

О цифрах детальнее

Плотность черной дыры в центре Млечного пути оценивается в 1,1 млн кг/м3. Масса этого объекта соответствует 4 млн солнечной массы. Радиус дыры оценен в 12 млн км. Указанная плотность черной дыры в центре Млечного пути дает представление о физических параметрах сверхмассивных дыр.

Если вес некоторого объекта составляет 10^38 кг, то есть оценивается приблизительно в 100 млн Солнц, тогда плотность астрономического объекта будет соответствовать плотностному уровню гранита, встречающегося на нашей планете.


Среди всех известных современным астрофизикам дыр одна из самых тяжелых обнаружена в квазаре OJ 287. Ее вес соответствует 18 млрд светил нашей системы. Какова плотность черной дыры, ученые высчитали без особенного труда. Значение получилось исчезающе малым. Оно составляет лишь 60 г/м3. Для сравнения: для атмосферного воздуха нашей планеты характерна плотность в 1,29 мг/м3.

Откуда берутся дыры?

Ученые не только проводили исследования, призванные определить плотность черной дыры в сравнении со светилом нашей системы или другими космическими телами, но также пытались определить, откуда дыры берутся, каковы механизмы формирования подобных загадочных объектов. Сейчас есть представление о четырех путях появления дыр. Наиболее понятный вариант – коллапс звезды. Когда она становится крупной, синтез в ядре завершается, давление исчезает, вещество проваливается к центру гравитации, поэтому появляется дыра. По мере приближения к центру плотность увеличивается. Рано или поздно показатель становится настолько существенным, что внешние объекты не в силах преодолеть воздействие гравитации. С этого момента появляется новая дыра. Подобный тип встречается чаще прочих и назван дырами солнечной массы.

Еще один достаточно часто встречающийся вариант дыры – сверхмассивная. Такие чаще наблюдаются в галактических центрах. Масса объекта в сравнении с описанной выше дырой солнечной массы больше в миллиарды раз. Процессы проявления подобных объектов ученые пока не установили. Предполагают, что сперва формируется дыра по описанному выше механизму, затем поглощаются соседние звезды, что приводит к росту. Это возможно, если зона галактики населена густо. Поглощение вещества происходит быстрее, чем это может объяснить приведенная схема, и ученые пока не могут предположить, как именно протекает поглощение.


Предположения и идеи

Очень сложная для астрофизиков тема – первичные дыры. Такие, вероятно, появляются из любой массы. Они могут сформироваться в крупных флуктуациях. Вероятно, появление таких дыр имело место в ранней Вселенной. Пока исследования, посвященные качествам, особенностям (включая плотность) черных дыр, процессам их появления, не позволяют определить модель, точно воспроизводящую процесс появления первичной дыры. Известные в настоящее время модели преимущественно таковы, что если бы они были воплощены в реальности, появилось бы чрезмерно много дыр.

Предполагают, что Большой адронный коллайдер может стать источником формирования дыры, масса которой соответствует бозону Хиггса. Соответственно, плотность черной дыры будет очень большой. Если такая теория подтвердится, ее можно считать косвенным доказательством наличия дополнительных измерений. В настоящее время это умозрительное заключение еще не получило подтверждений.

Излучение дыры

Излучение дыры объясняется квантовыми эффектами вещества.
остранство динамично, поэтому частицы тут совершенно не те, к каким мы привыкли. Рядом с дырой искажается не только время; понимание частицы во многом зависит от того, кто наблюдает ее. Если некто падает в дыру, ему кажется, будто он погружается в вакуум, а для удаленного наблюдателя она выглядит наполненной частицами зоной. Эффект объясняется растяжением времени, пространства. Излучение дыры впервые выявил Хокинг, чье имя и дали явлению. Излучению свойственна температура, обратно зависящая от массы. Чем вес астрономического объекта меньше, тем температура (как и плотность черной дыры) выше. Если дыра сверхмассивная или имеет массу, сравнимую со звездой, присущая ее излучению температура будет ниже, нежели микроволновой фон. Из-за этого не представляется возможным ее наблюдать.

Указанное излучение объясняет потерю данных. Так называют термическое явление, которому присуще одно четкое качество – температура. Сведений о процессах формирования дыры через изучение не найти, но объект, испускающий такое излучение, одновременно теряет массу (а значит, растет плотность черной дыры), сокращается. Процесс не определяется веществом, из которого дыра сформирована, не зависит от того, что было затянуто в нее позднее. Ученые не могут сказать, что стало базой дыры. Более того, как показали исследования, излучение является необратимым процессом, то есть таким, которого в квантовой механике просто не может существовать. Значит, излучение невозможно совместить с квантовой теорией, и несогласованность требует дальнейшей работы в этом направлении. Пока ученые считают, что Хокинговское излучение должно содержать информацию, просто мы еще не располагает средствами, возможностями для ее обнаружения.

Любопытно: про нейтронные звезды

Если существует сверхгигант, это не означает, что такое астрономическое тело вечно. Со временем оно меняется, отбрасывает внешние слои. Из остатков могут появиться белые карлики. Второй вариант – нейтронные звезды. Конкретные процессы определяются тем, какова ядерная масса первичного тела. Ежели она оценивается в пределах 1,4-3 солнечных, тогда разрушение сверхгиганта сопровождается очень большим давлением, из-за которого электроны как бы вдавливаются в протоны. Это приводит к формированию нейтронов, излучению нейтрино. В физике это назвали нейтронным вырожденным газом. Его давление таково, что звезда не может сжиматься дальше.

Впрочем, как показали исследования, вероятно, не все нейтронные звезды появились именно так. Некоторые из них – остатки крупных, взорвавшихся по принципу второй сверхновой.

Радиус тела тем меньше, чем больше масса. У большинства он варьируется в пределах 10-100 км. Проводились исследования для определения плотностей черных дыр, нейтронных звезд. Для вторых, как показали испытания, параметр сравнительно близок к атомной. Конкретные цифры, установленные астрофизиками: 10^10 г/см3.

Любопытно знать: теория и практика

Нейтронные звезды были предсказаны в теории в 60-70-е годы прошлого века. Первыми обнаружили пульсары. Это маленькие звезды, скорость вращения которых очень велика, а магнитное поле поистине грандиозно. Предполагают, что эти параметры пульсар наследует от исходной звезды. Период вращения варьируется от миллисекунд до нескольких секунд. Первые известные пульсары испускали периодическое радиоизлучение. Сегодня известны пульсары с излучением рентгеновского спектра, гамма.

Описанный процесс формирования нейтронной звезды может продолжаться – нет ничего такого, что в силах ему воспрепятствовать. Если ядерная масса более трех солнечных, точечно тело очень компактно, его относят к дырам. Не удастся определить свойства черной дыры при массе больше критической. Если в силу хокинговского излучения потеряется часть массы, одновременно сократится радиус, поэтому значение веса снова будет меньше критического для этого объекта.

Может ли дыра умереть?

Ученые выдвигают предположения о существовании процессов, обусловленных участием частицы и античастицы. Флуктуация элементов может стать причиной того, что пустое пространство будет характеризоваться нулевым энергетическим уровнем, который (вот парадокс!) не будет равен нулю. Одновременно горизонт событий, свойственный телу, получит низкоэнергетический спектр, присущий абсолютному черному телу. Такое излучение станет причиной утери массы. Горизонт слегка сожмется. Предположим, что есть две пары из частицы и ее антагониста. Происходит аннигиляция частицы из одной пары и ее антагониста из другой. Как следствие, появляются фотоны, которые вылетают из дыры. Вторая пара предположенных частиц падает в дыру, одновременно поглощая некоторый объем массы, энергии. Постепенно это приводит к смерти черной дыры.

В качестве заключения

Как считают некоторые, черная дыра – это своеобразный космический пылесос. Дыра может поглотить звезду, может даже «съесть» галактику. Во многом объяснение качеств дыры, а также особенностей ее формирования можно найти в теории относительности. Из нее известно, что время непрерывно, равно как и пространство. Это объясняет, почему процессы сжатия невозможно остановить, они беспредельны и ничем не ограничены.

Таковы эти загадочные черные дыры, над которыми уже не первое десятилетие ломают голову астрофизики.

Источник: FB.ru

Чёрная дыра
Активная сверхмассивная чёрная дыра, также известная как квазар, в центре галактики. Авторы и права: NASA.

В ходе недавно проведенных исследований выяснилось, что сверхмассивные чёрные дыры, которые скрываются в сердце любой галактики на самом деле имеют значительно большие массы, чем предполагалось ранее.

Исследователи в своей работе использовали новый метод для измерения расстояния до активного ядра спиральной галактики NGC 4151, которую окрестили “Глаз Саурона” из-за её невероятного сходства со структурой в известном фильме “Властелин колец”. Этот метод также позволил определить массу галактики NGC 4151, и соответственно массу её центральной чёрной дыры. Результаты данного исследования оказались весьма неожиданными.

Предыдущие оценки расстояния до чёрной дыры расположенной в центре галактики NGC 4151, основывались на измерениях красного смещения, которые фиксируются наблюдателем на Земле при движении удалённого объекта. Этот метод давал весьма приближённые результаты, которые составляли, от 13 до 95 миллионов световых лет.

Как известно, поглощённые чёрной дырой пыль и газ, нагреваясь, испускают ультрафиолетовое излучение, которое в свою очередь, нагревает кольцо пыли, вращающееся около чёрной дыры, в результате чего это облако испускает инфракрасное излучение.

Результаты, полученные с наземных телескопов, показали, что время задержки между ультрафиолетовым и инфракрасным излучениями составляет около 30 дней. Поскольку скорость света известная величина, то вычисление расстояния между чёрной дырой и пылевым кольцом является относительно простой задачей.

“Наши расчёты показывают, что сверхмассивные чёрные дыры почти в полтора раза тяжелее, чем считалось ранее”, – говорит в своем заявлении соавтор исследования Дэрек Ватсон (Darach Watson), из Института Нильса Бора (Дания). “Это открытие в корне меняет наше представление о массах чёрных дыр”.

В своей работе исследователи использовали телескопы Кека (Гавайи). Они обработали результаты, полученные на обоих телескопах, с помощью метода, известного как интерферометрия. Затем исследователи вычислили расстояние до “Глаза Саурона” исходя из геометрических формул.

Расстояние до NGC 4151, которое составило 62 миллиона световых лет, было рассчитано с погрешностью всего 13,5%. Это позволило исследователям повысить точность оценки массы сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики.

Первичные расчёты позволяют предположить, что массы сверхмассивных чёрных дыр были недооценены, и возможно, на самом деле, они на 40 процентов тяжелее. Исследователи надеются продолжить свои исследования, и уточнить массы чёрных дыр, находящихся в других галактиках. Новая методика в конечном счёте может помочь астрономам точнее рассчитать скорость, с которой Вселенная расширяется.

Источник: universetoday.ru

Вес черной дыры

Лондон, 20 декабря. Британский астрофизик выяснил, до какой максимальной массы может вырасти черная дыра. Выяснилось, что сверхмассивные черные дыры в центрах галактик могут достигнуть не более чем 50 миллиардов солнечных масс. 

Астроном Эндрю Кинг из университета Лейчестера в ходе анализа масс черных дыр в недрах галактик обратил внимание на то, что было обнаружено значительное количество черных дыр с массой в пределах 20–30 миллиардов солнечных, однако нет таких, которые бы превышали эту отметку.

Согласно заявлению ученого, формирование черной дыры находится в прямой зависимости от окружающего ее диска аккреции, в котором вещество, падающее в центр черной дыры, из-за взаимного трения разогревается до космических температур и начинает светиться. По мере того, как черная дыра становится больше, граница аккреционного диска удаляется от нее — тем самым кольцо раскаленной материи становится тем тоньше, чем больше масса черной дыры.

Из расчетов, проведенных Кингом, следует, что максимальная масса черной дыры, у которой сохранится аккреционный диск, не превышает 50 млрд масс Солнца. Следует учитывать, поясняет он, что это не исключает существования более крупных черных дыр — однако их невозможно будет увидеть даже в случае столкновения со столь же массивными объектами — все излучение, которое они могут выделить, они сами же немедленно и поглотят.

«Конечно, черные дыры более крупных размеров в принципе могут существовать – к примеру, они могут возникать, когда черная дыра максимальной массы  сливается с менее крупной «кузиной». Но в таком случае ее увидеть будет невозможно, так как это слияние не породит вспышки света. Их можно будет заметить только по тому, как они будут искривлять свет, проходящих в их окрестностях, или по порождаемым гравитационным волнам во время слияния», — заключает Кинг.

Таким образом, вселенная может быть полна древних сверхмассивных черных дыр, которые невозможно увидеть из-за того, что любой свет, излучаемый в их окрестностях, никогда не сможет выбраться из их гравитационного колодца.

Источник: riafan.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.