Astronomy (США): каковы размеры черной дыры? - «Наука и техника»

Добавлено 10-май-2020, 04:00 От Остап

Где-то в центре Млечного Пути скрывается гигантская черная дыра, масса которой в несколько миллионов раз превосходит массу Солнца. Как и все черные дыры, этот сверхмассивный гигант под названием «Стрелец А*» (сокращенно Sgr A*, произносится «Стрелец А со звёздочкой» — прим. перев.) поглощает всё, что попадается в область действия его гравитационного поля, — этот гигант пожирает абсолютно всё, включая свет. Тем не менее, поглощение материи — это лишь один из способов, с помощью которого эти космические монстры вырастают поистине до астрономических размеров, набирая умопомрачительную массу. Заметим, что характеризуя черную дыру как гигантский космический объект, астрономы обычно имеют в виду его гигантскую массу, а не размеры.
И здесь возникает логичный вопрос: а каковы размеры разных черных дыр?
Распределение черных дыр по классам в зависимости от массы
Обычная черная дыра (она известна как «черная дыра звездной массы») образуется, когда эволюционный цикл массивной звезды, вес которой превышает почти 8 солнечных масс, подходит к концу. После того, как догорят остатки ядерного топлива, наступает фаза быстрого гравитационного сжатия (или гравитационного коллапса) звезды, после чего происходит гигантский взрыв, — так появляется сверхновая звезда. А то, что останется, превратится либо в нейтронную звезду, либо в черную дыру, — все зависит от массы звезды. Масса таких черных дыр может варьироваться от пары до нескольких десятков солнечных масс.
Тем не менее вопрос о происхождении сверхтяжелых черных дыр, таких как «Стрелец А*», которые могут в миллионы и даже миллиарды раз превышать массу Солнца, остается нерешенным. Астрономы знают, что гигантские размеры и масса таких черных дыр, по-видимому, связаны с галактиками родственной связью, причем самые большие из сверхтяжелых черных дыр были обнаружены в центрах самых больших галактик.
Указанные доводы, а также недавно появившиеся свидетельства существования одного теоретически предсказанного класса черных дыр среднего размера (их называют черными дырами средней массы, которая варьируется от сотен до миллиона солнечных масс), по-видимому, указывают на то, что черные дыры могут стать сверхмассивными после того, как бесчисленное количество черных дыр звездной массы и промежуточной массы через миллиарды лет сольются воедино.
Ясно, что различные типы черных дыр могут значительно различаться по массе, и все же, не совсем ясно, насколько они различаются по размерам.
А что, если Земля и Солнце были когда-то черными дырами?
Чтобы изучить размеры черных дыр, давайте сначала рассмотрим два наиболее изученных объекта — Землю и Солнце.
Масса Земли составляет около 6×1024 кг. И хотя с точки зрения обывателя это гигантская цифра, она все-таки ничтожна по сравнению с массой черной дыры.
Чтобы появилась черная дыра, нужно сконцентрировать достаточно большую массу, причем ее гравитационное притяжение должно быть настолько сильным, что никакая другая сила не сможет предотвратить гравитационный коллапс этой массы. Вот почему ученые не смогли найти черные дыры, столь же легкие, как Земля, — этим космическим объектам просто не хватило бы массы для гравитационного сжатия. (Но некоторые ученые считают, что в первые несколько мгновений после Большого взрыва мог появиться класс так называемых древних первичных черных дыр. Масса этих гипотетических объектов могла бы варьироваться от совсем небольшой до гигантской, в десятки тысяч раз превышающей массу Солнца.)
Считается, что в центре черной дыры находится бездонная гравитационная яма пространства-времени, называемая гравитационной сингулярностью. Плотность этой сингулярности бесконечна, и все, что туда попадает, остается там навсегда. Внешний край черной дыры называется горизонтом событий; он представляет собой ту границу, за пределы которой не может вырваться ни одна частица материи, попавшей в гравитационное поле черной дыры, включая кванты света. Радиус горизонта событий зависит от массы черной дыры; этот радиус был впервые рассчитан немецким астрономом Карлом Шварцшильдом (Karl Schwarzschild) в 1916 году.
Для черной дыры массой, сравнимой с массой Земли, радиус Шварцшильда составляет менее одного дюйма (2,54 см), — то есть размером с шарик для настольного тенниса. Для Солнца радиус Шварцшильда составит немногим менее двух миль (3,2 км).
Каковы самые маленькие из известных черных дыр?
Как мы знаем, черные дыры очень трудно обнаружить. И все потому, что, в отличие от звезд, они не светятся, поскольку фотоны света никогда не вырвутся за пределы горизонта событий. Тем не менее иногда у черной дыры появляется аккреционный диск — ореол вещества, движущегося вокруг черной дыры; при этом из-за трения между слоями этого вещества происходит свечение. Ученые способны наблюдать черную дыру лишь благодаря свету, излучаемому аккреционным диском; иначе черная дыра невидима. Кроме того, черную дыру можно обнаружить по тому влиянию, которое она оказывает на другие космические объекты. Например, ученые обнаружили объект «Стрелец А*» только после того, как была зафиксирована странность в поведении семи звезд, вращающихся вокруг него.
С помощью этих методов учеными за последние годы было найдено множество кандидатов на роль черной дыры, включая самую маленькую известную нам черную дыру, расположенную в двойной системе GRO J1655-40. Газ с видимой звезды, расположенной в этой системе, перетекает к черной дыре, генерируя достаточный поток энергии для питания микроквазара.
Квазары развиваются в чрезвычайно ярких активных ядрах галактик (это центры галактик), в которых находится сверхмассивная черная дыра, окруженная ярким и мощным аккреционным диском. По некоторым оценкам, черная дыра в GRO J1655-40 весит примерно в 5,4 раза больше Солнца, а ее радиус составляет около 10 миль (16 км). Изучая подобные микроквазары, астрономы надеются лучше понять возможную связь между гигантами, скрытыми в ядрах галактик, и небольшими аккрецирующими черными дырами, разбросанными по галактикам.
В 2008 году ученые поначалу пришли к выводу, что обнаружили черную дыру еще меньшего размера, но позже теми же исследователями масса этого космического объекта была скорректирована. Любая черная дыра меньших размеров могла появиться, скорее всего, в результате слияния двух нейтронных звезд, а не в результате гравитационного коллапса умирающей звезды. Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) обнаружила гравитационные волны от возможного слияния нейтронных звезд в 2017 году, всего через два года после того, как гравитационные волны были вообще впервые обнаружены. Гравитационные волны, испускаемые во время слияний, дают ученым новый способ идентифицировать черные дыры в радиусе 100 миллионов световых лет от Земли.
С другой стороны, размер черной дыры звездной массы зависит от того, насколько массивной была звезда, ей предшествовавшая. Самая тяжелая звезда из всех известных, которая была найдена на сегодняшний день, обозначена аббревиатурой R136a1, она весит в 315 раз больше Солнца. Черная дыра с такой же массой, получившаяся из нее в результате гравитационного коллапса, имела бы радиус около 578 миль (930,2 км). Несмотря на свои большие размеры (по сравнению с самыми маленькими из известных черных дыр), даже эта огромная черная дыра звездной массы не идет ни в какое в сравнение со своими сверхмассивными родственниками.
Насколько велики черные дыры промежуточной массы?
Между черными дырами звездной массы и сверхмассивными черными дырами находятся так называемые черные дыры промежуточной массы — то есть долгожданное «недостающее звено» в эволюции черной дыры. На сегодняшний день найдено лишь несколько кандидатов на роль этого звена, в том числе космический объект, найденный телескопом «Хаббл» в начале нынешнего года. Такие объекты найти еще труднее, поскольку они менее активны в отсутствие близко расположенных космических объектов, которые служат для них своеобразным «топливом».
Масса черной дыры, недавно обнаруженной «Хабблом», в 50 тысяч раз превышает массу Солнца. Она находится в отдаленном плотном звездном скоплении, расположенном на окраине галактики бóльших размеров, именно там астрономы ожидали найти доказательства этих «недостающих звеньев». Такой кандидат на роль черной дыры промежуточной массы окажется в десятки тысяч раз тяжелее Солнца, а его радиус составит одну пятую радиуса Солнца, или примерно вдвое больше радиуса Юпитера.
И хотя черные дыры промежуточной массы обладают значительными размерами, их вес колеблется в пределах от 100 до 100 тысяч солнечных масс. Между тем масса сверхтяжелых чёрных дыр может в миллиарды раз превосходить солнечную.
Определяем размеры сверхтяжелых черных дыр
У центральной черной дыры нашей галактики, «Стрелец A*», расположенной в 26 тысячах световых лет от Солнца, радиус примерно в 17 раз превышает солнечный, а это значит, что размеры этой черной дыры ограничены, к примеру, орбитой Меркурия. И хотя упомянутая нами черная дыра в Млечном Пути весит около 4 миллионов солнечных масс, ее размеры малы по сравнению с размерами некоторых других сверхмассивных черных дыр, которые скрываются в центре других галактик.
Самая большая из сверхмассивных черных дыр, обнаруженных на сегодняшний день, находится в скоплении галактик Abell 85. В центре этого скопления расположена галактика Holm 15A, где общая масса сосредоточенного там вещества составляет около 2 триллионов солнечных масс. Центр этой галактики почти столь же велик, как Большое Магелланово Облако, радиус которого составляет 7000 световых лет.
Это скопление звезд расположено на расстоянии 700 миллионов световых лет от Земли, его размеры вдвое превышают размеры любой из предыдущих черных дыр. Это было установлено после того, как стала поступать информация из обсерватории на горе Вендельштейн при Университете им. Людвига и Максимилиана и от телескопа VLT (Very Large Telescope — «Очень большой телескоп») Европейской Южной Обсерватории. Ученые обнаружили, что черная дыра в центре галактики Holm 15A обладает колоссальной массой — 40 миллиардов солнечных масс, или примерно две трети массы всех звезд Млечного Пути. При такой гигантской массе она имеет диаметр, сопоставимый с диаметром Солнечной системы, — вообще это небывалый размер для какого-либо единичного объекта.
Но размер наблюдаемой Вселенной составляет 46,5 миллиардов световых лет во всех направлениях, а это означает, что астрономы делают лишь первые шаги, позволяющие понять природу черных дыр. Только год назад с помощью телескопа Event Horizon Telescope (Телескоп горизонта событий), который состоит из восьми телескопов, расположенных в разных частях Земли, впервые удалось получить изображение черной дыры. Кроме того, ожидается, что обсерватории LIGO и Virgo, изучающие гравитационные волны, смогут ежегодно обнаруживать благодаря новым технологиям около 40 слияний двойных звезд, а также открывать черные дыры и нейтронные звезды, расположенные по соседству с такими звездами. Кроме того, благодаря более совершенным телескопам, таким как Космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба (James Webb Space Telescope, JWST) и Чрезвычайно большой телескоп (Extremely Large Telescope, ELT) Европейского космического агентства, которые получат первые изображения в течение следующего десятилетия, сложно предугадать, сколько вообще черных дыр — этих космических монстров — будет обнаружено в будущем в темных глубинах космоса.

Где-то в центре Млечного Пути скрывается гигантская черная дыра, масса которой в несколько миллионов раз превосходит массу Солнца. Как и все черные дыры, этот сверхмассивный гигант под названием «Стрелец А*» (сокращенно Sgr A*, произносится «Стрелец А со звёздочкой» — прим. перев.) поглощает всё, что попадается в область действия его гравитационного поля, — этот гигант пожирает абсолютно всё, включая свет. Тем не менее, поглощение материи — это лишь один из способов, с помощью которого эти космические монстры вырастают поистине до астрономических размеров, набирая умопомрачительную массу. Заметим, что характеризуя черную дыру как гигантский космический объект, астрономы обычно имеют в виду его гигантскую массу, а не размеры. И здесь возникает логичный вопрос: а каковы размеры разных черных дыр? Распределение черных дыр по классам в зависимости от массы Обычная черная дыра (она известна как «черная дыра звездной массы») образуется, когда эволюционный цикл массивной звезды, вес которой превышает почти 8 солнечных масс, подходит к концу. После того, как догорят остатки ядерного топлива, наступает фаза быстрого гравитационного сжатия (или гравитационного коллапса) звезды, после чего происходит гигантский взрыв, — так появляется сверхновая звезда. А то, что останется, превратится либо в нейтронную звезду, либо в черную дыру, — все зависит от массы звезды. Масса таких черных дыр может варьироваться от пары до нескольких десятков солнечных масс. Тем не менее вопрос о происхождении сверхтяжелых черных дыр, таких как «Стрелец А*», которые могут в миллионы и даже миллиарды раз превышать массу Солнца, остается нерешенным. Астрономы знают, что гигантские размеры и масса таких черных дыр, по-видимому, связаны с галактиками родственной связью, причем самые большие из сверхтяжелых черных дыр были обнаружены в центрах самых больших галактик. Указанные доводы, а также недавно появившиеся свидетельства существования одного теоретически предсказанного класса черных дыр среднего размера (их называют черными дырами средней массы, которая варьируется от сотен до миллиона солнечных масс), по-видимому, указывают на то, что черные дыры могут стать сверхмассивными после того, как бесчисленное количество черных дыр звездной массы и промежуточной массы через миллиарды лет сольются воедино. Ясно, что различные типы черных дыр могут значительно различаться по массе, и все же, не совсем ясно, насколько они различаются по размерам. А что, если Земля и Солнце были когда-то черными дырами? Чтобы изучить размеры черных дыр, давайте сначала рассмотрим два наиболее изученных объекта — Землю и Солнце. Масса Земли составляет около 6×1024 кг. И хотя с точки зрения обывателя это гигантская цифра, она все-таки ничтожна по сравнению с массой черной дыры. Чтобы появилась черная дыра, нужно сконцентрировать достаточно большую массу, причем ее гравитационное притяжение должно быть настолько сильным, что никакая другая сила не сможет предотвратить гравитационный коллапс этой массы. Вот почему ученые не смогли найти черные дыры, столь же легкие, как Земля, — этим космическим объектам просто не хватило бы массы для гравитационного сжатия. (Но некоторые ученые считают, что в первые несколько мгновений после Большого взрыва мог появиться класс так называемых древних первичных черных дыр. Масса этих гипотетических объектов могла бы варьироваться от совсем небольшой до гигантской, в десятки тысяч раз превышающей массу Солнца.) Считается, что в центре черной дыры находится бездонная гравитационная яма пространства-времени, называемая гравитационной сингулярностью. Плотность этой сингулярности бесконечна, и все, что туда попадает, остается там навсегда. Внешний край черной дыры называется горизонтом событий; он представляет собой ту границу, за пределы которой не может вырваться ни одна частица материи, попавшей в гравитационное поле черной дыры, включая кванты света. Радиус горизонта событий зависит от массы черной дыры; этот радиус был впервые рассчитан немецким астрономом Карлом Шварцшильдом (Karl Schwarzschild) в 1916 году. Для черной дыры массой, сравнимой с массой Земли, радиус Шварцшильда составляет менее одного дюйма (2,54 см), — то есть размером с шарик для настольного тенниса. Для Солнца радиус Шварцшильда составит немногим менее двух миль (3,2 км). Каковы самые маленькие из известных черных дыр? Как мы знаем, черные дыры очень трудно обнаружить. И все потому, что, в отличие от звезд, они не светятся, поскольку фотоны света никогда не вырвутся за пределы горизонта событий. Тем не менее иногда у черной дыры появляется аккреционный диск — ореол вещества, движущегося вокруг черной дыры; при этом из-за трения между слоями этого вещества происходит свечение. Ученые способны наблюдать черную дыру лишь благодаря свету, излучаемому аккреционным диском; иначе черная дыра невидима. Кроме того, черную дыру можно обнаружить по тому влиянию, которое она оказывает на другие космические объекты. Например, ученые обнаружили объект «Стрелец А*» только после того, как была зафиксирована странность в поведении семи звезд, вращающихся вокруг него. С помощью этих методов учеными за последние годы было найдено множество кандидатов на роль черной дыры, включая самую маленькую известную нам черную дыру, расположенную в двойной системе GRO J1655-40. Газ с видимой звезды, расположенной в этой системе, перетекает к черной дыре, генерируя достаточный поток энергии для питания микроквазара. Квазары развиваются в чрезвычайно ярких активных ядрах галактик (это центры галактик), в которых находится сверхмассивная черная дыра, окруженная ярким и мощным аккреционным диском. По некоторым оценкам, черная дыра в GRO J1655-40 весит примерно в 5,4 раза больше Солнца, а ее радиус составляет около 10 миль (16 км). Изучая подобные микроквазары, астрономы надеются лучше понять возможную связь между гигантами, скрытыми в ядрах галактик, и небольшими аккрецирующими черными дырами, разбросанными по галактикам. В 2008 году ученые поначалу пришли к выводу, что обнаружили черную дыру еще меньшего размера, но позже теми же исследователями масса этого космического объекта была скорректирована. Любая черная дыра меньших размеров могла появиться, скорее всего, в результате слияния двух нейтронных звезд, а не в результате гравитационного коллапса умирающей звезды. Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) обнаружила гравитационные волны от возможного слияния нейтронных звезд в 2017 году, всего через два года после того, как гравитационные волны были вообще впервые обнаружены. Гравитационные волны, испускаемые во время слияний, дают ученым новый способ идентифицировать черные дыры в радиусе 100 миллионов световых лет от Земли. С другой стороны, размер черной дыры звездной массы зависит от того, насколько массивной была звезда, ей предшествовавшая. Самая тяжелая звезда из всех известных, которая была найдена на сегодняшний день, обозначена аббревиатурой R136a1, она весит в 315 раз больше Солнца. Черная дыра с такой же массой, получившаяся из нее в результате гравитационного коллапса, имела бы радиус около 578 миль (930,2 км). Несмотря на свои большие размеры (по сравнению с самыми маленькими из известных черных дыр), даже эта огромная черная дыра звездной массы не идет ни в какое в сравнение со своими сверхмассивными родственниками. Насколько велики черные дыры промежуточной массы? Между черными дырами звездной массы и сверхмассивными черными дырами находятся так называемые черные дыры промежуточной массы — то есть долгожданное «недостающее звено» в эволюции черной дыры. На сегодняшний день найдено лишь несколько кандидатов на роль этого звена, в том числе космический объект, найденный телескопом «Хаббл» в начале нынешнего года. Такие объекты найти еще труднее, поскольку они менее активны в отсутствие близко расположенных космических объектов, которые служат для них своеобразным «топливом». Масса черной дыры, недавно обнаруженной «Хабблом», в 50 тысяч раз превышает массу Солнца. Она находится в отдаленном плотном звездном скоплении, расположенном на окраине галактики бóльших размеров, именно там астрономы ожидали найти доказательства этих «недостающих звеньев». Такой кандидат на роль черной дыры промежуточной массы окажется в десятки тысяч раз тяжелее Солнца, а его радиус составит одну пятую радиуса Солнца, или примерно вдвое больше радиуса Юпитера. И хотя черные дыры промежуточной массы обладают значительными размерами, их вес колеблется в пределах от 100 до 100 тысяч солнечных масс. Между тем масса сверхтяжелых чёрных дыр может в миллиарды раз превосходить солнечную. Определяем размеры сверхтяжелых черных дыр У центральной черной дыры нашей галактики, «Стрелец A*», расположенной в 26 тысячах световых лет от Солнца, радиус примерно в 17 раз превышает солнечный, а это значит, что размеры этой черной дыры ограничены, к примеру, орбитой Меркурия. И хотя упомянутая нами черная дыра в Млечном Пути весит около 4 миллионов солнечных масс, ее размеры малы по сравнению с размерами некоторых других сверхмассивных черных дыр, которые скрываются в центре других галактик. Самая большая из сверхмассивных черных дыр, обнаруженных на сегодняшний день, находится в скоплении галактик Abell 85. В центре этого скопления расположена галактика Holm 15A, где общая масса сосредоточенного там вещества составляет около 2 триллионов солнечных масс. Центр этой галактики почти столь же велик, как Большое Магелланово Облако, радиус которого составляет 7000 световых лет. Это скопление звезд расположено на расстоянии 700 миллионов световых лет от Земли, его размеры вдвое превышают размеры любой из предыдущих черных дыр. Это было установлено после того, как стала поступать информация из обсерватории на горе Вендельштейн при Университете им. Людвига и Максимилиана и от телескопа VLT (Very Large Telescope — «Очень большой телескоп») Европейской Южной Обсерватории. Ученые обнаружили, что черная дыра в центре галактики Holm 15A обладает колоссальной массой — 40 миллиардов солнечных масс, или примерно две трети