10 вещей, на которые способны черные дыры
Мы не раз писали о способности черных дыр поглощать практически любую материю Вселенной. Однако за последнее время наука смогла обнаружить целый арсенал других всевозможных особенностей этих объектов. Оказывается, они не только способны двигаться почти со световой скоростью и проявлять признаки настоящих космических маньяков, уничтожая и пожирая все на своем пути, но еще и демонстрировать существенно более гибкое поведение, чем мы привыкли от них ожидать. Сегодня поговорим о том, на что еще способны эти объекты.
Красивое и загадочное явление.
Быстрое вращение объектов
Ученые впервые точно измерили скорость вращения сверхмассивной черной дыры. Она поражает – 84 процента от скорости света.
Черная дыра галактики NGC 1365, расположенная в 60 миллионах световых лет поразила исследователей своими характеристиками. Ее диаметр составляет 3,2 миллиона километров, а масса приблизительно равна нескольким миллионам солнечных масс.
При вращении она в буквальном смысле искривляет за собой не только пространство, но и время, создавая пылающий водоворот из рентгеновского излучения, газа и пыли, падающие в ее недра. Вся эта материя, вероятнее всего, попадает в черную дыру с одного направления, что по мнению ученых, придает ей такую невероятную скорость вращения.
Объединение в группы
Иногда имеет место объединение.
Самые большие из обнаруженных астрономами галактик в буквальном смысле засеяны сверхмассивными черными дырами. Они настолько огромны, что ученые сомневаются в том, что их прародителями являются одиночные звезды. Ученые долгое время подозревали, что сверхмассивные черные дыры могут рождаться в плотных звездных скоплениях, состоящих из групп умирающих двойных звезд или же групп более компактных черных дыр, которые со временем сливаются между собой, образуя настоящих сверхгигантов.
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.
Что интересно, предположение наконец-то обрело настоящее подтверждение. Рентгеновский анализ центра Млечного Пути показал, что непосредственно в самом центре наше галактики скрывается очень плотная область, в которой, могут находиться до 12 черных дыр, вращающихся вокруг основной центральной черной дыры Млечного Пути – Стрельца А*.
Кроме того, анализ показал, что в общей сложности в центральной области нашей галактики могут находится до 20 000 черных дыр.
Выброс материи размером с Юпитер (иногда в нашем направлении)
Теоретические расчеты и компьютерное моделирование говорят о том, что возле центральной черной дыры нашей галактики – Стрельца А* — может находиться очень массивная звезда, которая каждые 10 тысяч лет очень близко приближается к дыре, из-за чего последняя вытягивает из нее звездное вещество, образуя длинную струю из раскаленной материи. Часть этой материи пожирается самой дырой, другая – выбрасывается в космос. Однако некоторая часть этой материи остается на достаточно удаленном от дыры расстоянии и способна сливаться в клубок размером с планету. Но самое интересно заключается даже не в этом.
Эти клубы материи, в некоторых случаях размером с наш Нептун, а иногда и достигающие размера Юпитера, выбрасываются в галактическое пространство со скоростью 3,2 – 32,2 миллиона километров в час. По расчетам исследователей, в результате событий приливного разрушения звезды в космос будут выброшены около 100 миллионов подобных тел. И, возможно, некоторые из них будут направлены в нашу сторону.
Тайны галактического прошлого
Скопление пыли и газа вокруг черной дыры.
Комплекс радиотелескопов «Атакамская большая антенная решётка миллиметрового диапазона» (ALMA) позволил ученым впервые взглянуть ну тор черной дыры – скопление пыли и газа, вращающегося вокруг «пасти» галактического монстра и со стороны напоминающего пончик.
Объект исследования находится в 47 миллионах световых лет от нас в созвездии Кита. Благодаря удивительной мощности и чувствительности ALMA, ученые даже рассчитали его ширину. Она составляет порядка 20 световых лет. Наблюдая за торами черных дыр, исследователи могут больше узнать о прошлом галактик. Например, ассиметричная форма тора может говорить о том, что галактика могла слиться с другой галактикой в некий период своей истории в прошлом.
Поглощение материи с невероятной скоростью
Схема физической загадки.
В миллиарде световых лет от нас в направлении созвездия Волосы Вероники находится очень яркая галактика PG211+143. Своей яркости галактика обязана центральной черной дыре, которая поглощает материю из внешнего космоса с невероятной скоростью – 100 000 километров в секунду.
Исследователи выяснили, что рентгеновское излучение этой галактики демонстрирует значительное красное смещение, что может объясняться движением материи этой галактики прямиком в сторону центральной сверхмассивной черной дыры с огромной скоростью, составляющей порядка 30 процентов от скорости света. Этот газ почти не вращается вокруг черной дыры, а движется прямо к ее центру по прямой линии, находясь на невероятно близком к центру черной дыры расстоянии, составляющем всего лишь 20 размеров черной дыры.
Блуждание в комосе
Астрономы долгое время предполагали, что черные дыры иногда могут быть выброшены из своих галактик. И очень серьезное доказательство этому предположению, как оказалось, находится примерно в 8 миллиардах световых лет от нас. Им является квазар 3C 186, обладающий массой в один миллиард солнечных.
Ученые выяснили, что квазар на всех парах стремится покинуть свое родное галактическое скопление. Согласно расчетам исследователей, газовое облако квазара уносится прочь со скоростью 7,6 миллиона километров в час. При такой скорости, например, с Земли до Луны можно будет добраться всего за 3 минуты.
Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.
Астрономы считают, что причиной такого «побега» являются гравитационные волны – продукт слияния двух сверхмассивных черных дыр. В результате этого слияния они создали мощнейшую ударную волну, по силе сопоставимой одновременному взрыву 100 миллионов сверхновых, которая в буквальном смысле вытолкнула квазар со своего «насиженного» места.
Отбор у более крупных объектов
На данный момент астрономы не только подтвердили пять событий слияний черных дыр и произведенных ими гравитационных волн, но еще и выделили среди них одно, выделяющееся на общем фоне. Речь идет о слиянии двух черных дырах, масса которых согласно прогнозам, должна была составлять 10-15 солнечных. На деле же оказалось, что масса обеих черных дыр превышает 20 солнечных масс.
Проанализировав собранные данные ученые пришли к выводу, что обе черные дыры набрали в весе из-за того, что воровали «пищу» у существенно более крупной черной дыры, находящейся также по соседству в галактическом центре.
До превращения в черные дыры эти воры представляли собой две массивные звезды. В ходе звездной эволюции они коллапсировали в черные дыры и стали притягиваться к галактическому центру, где уже имелась сверхмассивная черная дыра, поглощающая окружающие ее газ и пыль. Две «крохи» умудрились своровать часть материи у центральной черной дыры и набрали почти в три раза больше массы от своего изначального размера, прежде чем слиться между собой.
Использование магнитных поля для питания
Черные дыры могут выглядеть как угодно.
По мнению астрономов, одним из основных факторов, определяющих массу черной дыры может быть ее магнитное поле. Исследуя галактику Лебедь А, расположенную в 600 миллионах световых лет от нас, ученые обнаружили в ее галактическом центре очень сильное магнитное поле.
Дальнейший анализ показал, что черная дыра Лебедь А очень активна. Ученые считают, что она является самым мощным внегалактическим источником радиоизлучения в своем созвездии, которое создается в результате поглощения дырой окружающей ее материи. И в этом деле, говорят исследователи, активное участие принимает ее магнитное поле, которое притягивает материю к тору черной дыры, а затем и в самые ее недра.
По мнению астрономов, разница между активными галактиками, такими, как Лебедь А и неактивными галактиками, такими, как наш Млечный Путь, заключается в наличии и отсутствии магнитного поля.
Прятки в крошечных галактиках
Снимки, подтверждающие обнаружение чего-то необычного.
В галактике Fornax UCD3 в созвездии Печь находится всего 100 миллионов звезд. Это настоящая кроха по сравнению с тем же Млечным Путем, в котором предположительно могут находиться сотни миллиардов светил. Радиус галактики Fornax UCD3 составляет всего каких-то 300 световых лет. Несмотря на свои крошечные размеры, «ультракомпактная карликовая» UCD3 является одной из самых плотных галактик во Вселенной.
В ее центре находится сверхмассивная черная дыра с 3-5 миллионами солнечных масс. Она почти такая же тяжелая, как черная дыра Стрелец А* в центре нашего Млечного Пути, диаметр которого составляет около 150 000 световых лет.
Обнаружение черной дыры UCD3 оказалось лишь четвертым случаем обнаружения сверхмассивных черных дыр внутри ультракомпактных галактик. Астрономы подсчитали, что на долю дыры приходится 4 процента от общей массы галактики. Как правило в любых других случаях эта доля составляет всего 0,3 процента.
Ученые подозревают, что раньше галактика UCD3 была еще больше, однако близкое расположение с более крупной галактикой лишило Fornax UCD3 большого числа ее звезд, превратив в карлика.
Уничтожение нашего Солнце за два дня
Нечно из далекого космоса.
Астрономы обнаружили удивительно прожорливую черную дыру, появившуюся на свет около 12 миллиардов лет назад. Обнаруженный квазар каждые два дня поглощает массу эквивалентную одной солнечной. Вследствие такого аппетита, черная дыра растет настолько быстро, что ее излучение в тысячи раз ярче, чем у целой галактики. Само же излучение происходит вследствие нагрева материи и газов, которые она поглощает.
Ученые пока не разобрались в том, каким образом черная дыра из «темных времен» настолько быстро набрала свою массу, но зато прекрасно понимают ее потенциал.
Как умирают черные дыры?
Самыми таинственными объектами во Вселенной по праву можно назвать черные дыры – области пространства-времени гравитация которых настолько сильна, что ничто, даже свет, не может их покинуть. Интересно, что на просторах бесконечной Вселенной существуют черные дыры, масса которых превышает массу Солнца в пять-сто раз, но есть и такие, чья масса превышает миллиард солнечных. Сегодня астрономы считают, что сверхмассивные черные дыры скрываются в сердце большинства галактик, отмечая при этом, что Вселенная находится в так называемой «звездной эре» – этапе эволюции Вселенной, во время которого звезды и галактики рождаются непрерывно. Но что лежит за границей звездной эры? Исследователи полагают, что в конечном итоге все ингредиенты для создания черных дыр будут исчерпаны, а звезды в ночном небе медленно погаснут, превратив тем самым черные дыры в единственных обитателей Вселенной. Но даже эти космические монстры не могут существовать вечно. Когда-нибудь и они погибнут, озарив, на прощание, пустое и безжизненное пространство фейерверком.
Доказать существование черных дыр ученым удалось совсем недавно.
Как появляются черные дыры?
Та часть вещества, которую не выбросило в межзвездную среду, как правило, преобразуется либо в компактный объект – нейтронную звезду (в случае, если масса звезды до взрыва составляла более 8 солнечных масс), либо в черную дыру – область пространства-времени, в которой всем управляет ее величество гравитация (в случае, если масса оставшегося после взрыва ядра превышает солнечную в пять раз).
Так выглядит вспышка сверхновой в объективе космического телескопа NASA Hubble.
Как отмечают астрономы, подобная связь между рождением черной дыры и смертью звезды, которая ее образовала, довольно распространенное явление во Вселенной. Особенно близки черные дыры с другими звездами в тех ее уголках, где звездообразование происходит с высокой скоростью. Напомним также, что звездообразование является крупномасштабным процессом, в ходе которого из межзвездного газа в галактике начинают массово формироваться звезды.
Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира астрономии и физики? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram чтобы не пропустить ничего интересного!
Эволюция черных дыр
Итак, после рождения черной дыры в результате гибели массивной звезды, ее главным занятием становится поглощение любых объектов, оказавшихся поблизости. В некоторых случаях поглощенный материал (газ и звезды) окружает этих космических монстров, двигаясь все быстрее и скапливаясь вокруг. Так как трение между пылью генерирует тепло, аккреционный диск черной дыры начинает светиться, очерчивая ее тень или горизонт событий. Именно его в 2019 году удалось сфотографировать ученым, о чем подробно рассказал мой коллега Николай Хижняк в своем материале.
Но помимо того, что горизонт событий окружает черную дыру, он также является ключом к ее гибели. Все потому, что любой поглощенный черной дырой материал пропадает навсегда, по крайней мере, это следует из нашего понимания гравитации. Однако эта так называемая точка невозврата не учитывает квантовую механику – да, да, физики по-прежнему трудятся над созданием единой теории квантовой гравитации и, кстати, недавно добились довольно интересных результатов.
Стивен Хокинг – английский физик-теоретик, космолог и астрофизик. Хокинг первым изложил космологическую теорию, в которой были объединены представления общей теории относительности и квантовой механики.
Исследователи сравнивают этот процесс с песочными часами, где песок наверху – это количество времени, оставшееся у черной дыры. Поглощая все больше звезд и газа, прожорливый космический монстр продолжает добавлять песчинки в «тикающие» песочные часы, даже когда отдельные частицы просачиваются наружу. Но по мере старения Вселенной материал вокруг черной дыры иссякнет, знаменуя ее неминуемую погибель.
Кстати, самая мощная из когда-либо зарегистрированных сверхновых (ASSASN-15lh) сегодня считается в 22 триллиона раз более взрывоопасной, чем черная дыра в ее последние мгновения. А как вы думаете, каким будет конец Вселенной? Ответ будем ждать здесь, а также в комментариях к этой статье.
Самая большая чёрная дыра в известной Вселенной
Чёрная дыра возникает в результате коллапса сверхмассивной звезды, в ядре которой заканчивается «топливо» для ядерной реакции. По мере сжатия температура ядра повышается, а фотоны с энергией более 511 кэВ, сталкиваясь, образуют электрон-позитронные пары, что приводит к катастрофическому снижению давления и дальнейшему коллапсу звезды под воздействием собственной гравитации.
Астрофизик Этан Сигел (Ethan Siegel) опубликовал статью «Крупнейшая чёрная дыра в известной Вселенной», в которой собрал информацию о массе чёрных дыр в разных галактиках. Просто интересно: где же находится самая массивная из них?
Поскольку наиболее плотные скопления звёзд — в центре галактик, то сейчас практически у каждой галактики в центре находится массивная чёрная дыра, образованная после слияния множества других. Например, в центре Млечного пути есть чёрная дыра массой примерно 0,1% нашей галактики, то есть в 4 млн раз больше массы Солнца.
Определить наличие чёрной дыры очень легко, изучив траекторию движения звёзд, на которые воздействует гравитация невидимого тела.
Но Млечный путь — относительно маленькая галактика, которая никак не может иметь у себя самую большую чёрную дыру. Например, недалеко от нас в скоплении Девы находится гигантская галактика Messier 87 — она примерно в 200 раз больше нашей.
Так вот, из центра этой галактики вырывается поток материи длиной около 5000 световых лет (на фото). Это сумасшедшая аномалия, пишет Этан Сигел, но выглядит очень красиво.
Учёные считают, что объяснением такого «извержения» из центра галактики может быть только чёрная дыра. Расчёт показывает, что масса этой чёрной дыры где-то в 1500 раз больше, чем масса чёрной дыры в Млечном пути, то есть примерно 6,6 млрд масс Солнца.
Но где же во Вселенной самая большая чёрная дыра? Если исходить из расчёта, что в центре почти каждой галактики имеется такой объект с массой 0,1% от массы галактики, то нужно найти самую массивную галактику. Учёные могут дать ответ и на этот вопрос.
Самая массивная из известных нам — галактика IC 1101 в центре скопления Abell 2029, который находится от Млечного пути в 20 раз дальше, чем скопление Девы.
В IC 1101 расстояние от центра до самого дальнего края — около 2 млн световых лет. Её размер вдвое больше, чем расстояние от Млечного пути до ближайшей к нам галактики Андромеды. Масса почти равняется массе всего скопления Девы!
Если в центре IC 1101 есть чёрная дыра (а она должна там быть), то она может быть самой массивной в известной нам Вселенной.
Этан Сигел говорит, что может и ошибиться. Причина — в уникальной галактике NGC 1277. Это не слишком большая галактика, чуть меньше нашей. Но анализ её вращения показал невероятный результат: чёрная дыра в центре составляет 17 млрд солнечных масс, а это аж 17% общей массы галактики. Это рекорд по соотношению массы чёрной дыры к массе галактики.
Есть и ещё один кандидат на роль самой большой чёрной дыры в известной Вселенной. Он изображён на следующей фотографии.
Странный объект OJ 287 называется блазар. Блазары — особый класс внегалактических объектов, разновидность квазаров. Они отличаются очень мощным излучением, которое в OJ 287 меняется с циклом 11-12 лет (с двойным пиком).
По мнению астрофизиков, OJ 287 включает в себя сверхмассивную центральную чёрную дыру, по орбите которой вращается ещё одна чёрная дыра меньшего размера. Центральная чёрная дыра в 18 млрд масс Солнца — самая большая из известных на сегодняшний день.
Эта парочка чёрных дыр станет одним из самых лучших экспериментов для проверки общей теории относительности, а именно — деформации пространства-времени, описанной в ОТО.
Из-за релятивистских эффектов перигелий чёрной дыры, то есть ближайшая к центровой чёрной дыре точка орбиты, должен смещаться на 39° за один оборот! Для сравнения, перигелий Меркурия сместился всего на 43 арксекунды за столетие.
Какие бывают черные дыры и как они могут помочь человечеству?
Это может показаться абсурдной идеей, но физики давно размышляют, смогут ли черные дыры однажды использоваться для получения энергии человечеством. Рассказываем о типах черных дыр, как их открыли, и реально ли их «приручить».
Читайте «Хайтек» в
Типы черных дыр
Чёрные дыры звёздной массы — маленькие, но смертельные
Млечный Путь содержит около ста миллионов черных дыр, которые образовались в результате коллапса очень массивных звезд. Каждая из этих звездных черных дыр весит примерно в 10 раз больше нашего Солнца. Очень немногие из этих черных дыр находятся на близком расстоянии от обычной звезды, которая медленно перетекает в черную дыру. Когда этот газ падает в сторону черной дыры, он нагревается сильной гравитацией и трением. Рядом с черной дырой газ достигает типичной температуры 10 миллионов градусов по Цельсию. Эти источники рентгеновского излучения черных дыр легко наблюдать по всему Млечному Пути, а также в близлежащих галактиках с помощью орбитальных рентгеновских обсерваторий.
Примечательно, что любая черная дыра полностью описывается всего двумя числами, которые определяют ее массу и скорость вращения. Мы не знаем ничего более простого, кроме элементарной частицы, такой как электрон. Ученые из CFA измерили оба этих фундаментальных параметра — массу и спин — для более чем дюжины звездных черных дыр, изучая все аспекты этих черных дыр и их систем.
Несмотря на свою повсеместность во Вселенной, черные дыры остаются крайне загадочными объектами. Нам нужна теория квантовой гравитации, которая объединит теорию относительности Эйнштейна 1916 года с теорией квантовой механики 1926 года. Такой теории не существует, несмотря на десятилетия теоретических усилий физиков, изучающих теорию струн и других специалистов. Создание теории квантовой гравитации станет венцом физики наравне с достижениями Ньютона, Эйнштейна и других гигантов.
Чёрная дыра средней массы (IMBH) — застряли посередине
Между классами черных дыр звездной величины и сверхмассивных должен существовать еще один — промежуточный. Во всяком случае, по законам логики. Разве не должны существовать черные дыры среднего размера, которые определяют разницу между черными дырами звездной массы и сверхмассивными черными дырами? Эти космические средние массы, которые могут варьироваться от примерно 100 до 1 миллиона солнечных масс — хотя конкретный диапазон варьируется в зависимости от того, кого вы спросите, — называются черными дырами промежуточной массы (Intermediate-mass black holes, IMBHs). И хотя астрономы нашли несколько убедительных кандидатов на IMBH, разбросанных по всей Вселенной, вопрос о том, действительно ли они существуют, все еще не решен. Однако улик начинает накапливаться.
Хотя окончательное доказательство существования IMBH остается неуловимым, за последние несколько десятилетий был проведен ряд исследований, в которых были обнаружены интригующие доказательства, намекающие на существование этих не очень больших, не очень маленьких черных дыр.
Точно так же в 2009 году исследователи обнаружили еще более сильные свидетельство существования черной дыры среднего размера. Расположенный примерно в 290 млн световых лет от края галактики ESO 243-49, команда наблюдала невероятно яркий рентгеновский источник под названием HLX-1 (гиперсветящийся источник рентгеновского излучения номер один, Hyper-Luminous X-ray source 1), не имеющий оптического аналога. Это говорит о том, что наблюдаемый объект не просто звезда или галактика. Кроме того, исследователи обнаружили, что рентгеновская сигнатура HLX-1 менялась со временем, предполагая, что черная дыра становится ярче каждый раз, когда ближайшая звезда приближается к ней, подавая газ и вызывая короткие вспышки рентгеновских лучей, которые затем медленно исчезают. прочь. Основываясь на яркости наблюдаемых вспышек, исследователи рассчитали минимальную массу черной дыры примерно в 500 раз больше массы Солнца, хотя по некоторым оценкам ее вес приближается к 20 000 масс Солнца.
Планковская чёрная дыра (Micro black hole)
Планковская чёрная дыра — гипотетическая чёрная дыра с минимально возможной массой, которая равна планковской массе.
Плотность вещества такой чёрной дыры составляет около 10 94 кг/м³ и, возможно, является максимальной достижимой плотностью массы. Физика на таких масштабах должна описываться пока не разработанными теориями квантовой гравитации. Такой объект тождественен гипотетической элементарной частице с (предположительно) максимально возможной массой — максимону.
Планковские чёрные дыры характеризует крайне малое сечение взаимодействия. Малость сечения взаимодействия нейтральных максимонов с веществом приводит к тому, что значительная (или даже основная) часть материи во Вселенной в настоящее время могла бы состоять из максимонов, не приводя к противоречию с наблюдениями. В частности, максимоны могли бы играть роль невидимого вещества (темной материи), существование которого признается в настоящее время в космологии.
Сверхмассивные черные дыры — рождение гигантов
Маленькие черные дыры населяют вселенную, но их кузены, сверхмассивные черные дыры, доминируют. Эти огромные черные дыры в миллионы или даже миллиарды раз массивнее Солнца, но имеют примерно такой же размер в диаметре. Считается, что такие черные дыры находятся в центре практически каждой галактики, включая Млечный Путь.
Ученые не уверены, как возникают такие большие черные дыры. После того, как эти гиганты сформировались, они собирают массу из пыли и газа вокруг себя, материала, которого много в центре галактик, что позволяет им вырасти до еще более огромных размеров.
Сверхмассивные черные дыры могут быть результатом слияния сотен или тысяч крошечных черных дыр. Большие газовые облака также могут быть ответственны за их коллапс и быстрое увеличение массы. Или это коллапс звездного скопления, группы звезд, падающих вместе. Сверхмассивные черные дыры могут возникать из больших скоплений темной материи. Это вещество, которое мы можем наблюдать через его гравитационное воздействие на другие объекты; однако мы не знаем, из чего состоит темная материя, потому что она не излучает свет и не может быть непосредственно наблюдаемой.
Новый класс черных дыр — «сверхсверхмассивные» или огромные черные дыры
Итак, как мы уже знаем, наша Вселенная содержит огромные черные дыры. Сверхмассивная черная дыра в центре нашей галактики имеет массу 4 миллиона Солнц, но она довольно мала, как галактические черные дыры. Масса многих галактических черных дыр составляет миллиард солнечных масс, а масса самой массивной из известных черных дыр оценивается примерно в 70 миллиардов Солнц. Но насколько большой может быть черная дыра?
Чтобы черная дыра стала действительно массивной, она должна поглотить большое количество вещества в начале своей жизни. Если она медленно потребляет материю, тогда окружающая ее галактика встанет на свое место, и Вселенная расширится, так что черная дыра не сможет захватить намного больше вещества. Но когда черная дыра быстро поглощает большое количество вещества, материя становится очень горячей и имеет тенденцию отталкивать другую материю, что затрудняет рост черной дыры.
Основываясь на наблюдениях за крупнейшими черными дырами и компьютерном моделировании образования черных дыр, считается, что верхний предел массы галактических черных дыр составляет около 100 миллиардов солнечных масс. Но новое исследование предполагает, что предел массы может быть намного выше.
В работе ученых отмечается, что, хотя галактические черные дыры, вероятно, действительно имеют предел солнечной массы в сотни миллиардов, более крупные черные дыры могли образоваться независимо на ранних этапах существования Вселенной. Эти первичные черные дыры могут иметь массу более чем в миллион раз больше, чем самые большие галактические черные дыры. Исследовательская группа называет их невероятно большими черными дырами или SLABs (stupendously large black holes).
Идея первичных черных дыр существует уже давно. Они были предложены как решение всего, от темной материи до того, почему мы еще не открыли гипотетическую девятую планету в нашей солнечной системе. Но теоретические модели предполагают, что первичные черные дыры были бы намного меньше, чем даже черные дыры звездной массы, образованные из крошечных флуктуаций плотности в ранней Вселенной. Но это новое исследование предполагает, что темная материя и другие факторы могут вызвать колоссальный рост некоторых из них.
Если ранняя Вселенная была богата темной материей, особенно формой темной материи, известной как слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP), то первичная черная дыра могла потреблять темную материю, чтобы быстро расти. Поскольку темная материя не сильно взаимодействует со светом, захваченная темная материя не будет излучать много света или тепла, чтобы замедлить скорость роста. В результате эти черные дыры могли быть огромными еще до того, как Вселенная остыла и образовались галактики. Верхний предел массы SLAB будет зависеть от того, как темная материя WIMP взаимодействует с самой собой, поэтому, если мы обнаружим какие-либо SLAB, это может помочь нам понять темную материю.
Как человечество может использовать черные дыры?
Теория относительности предсказывает, что вращающиеся черные дыры можно использовать в качестве источников энергии. В 1969 году Роджер Пенроуз описал процесс, позволяющий это сделать. Вокруг вращающихся черных дыр существует эргосфера — область, предшествующая горизонту событий. Все тела в эргосфере вращаются вместе с черной дырой.
Процесс Пенроуза (также называемый механизмом Пенроуз) теоретически рассматривает черные дыры как средство извлечения энергии. Такое извлечение может произойти, если вращательная энергия черной дыры расположена не внутри горизонта событий, а снаружи — в области керровского пространства-времени. В этой эргосфере любая частица обязательно движется в локомотивном режиме одновременно с вращающимся пространством-временем, т.е. все объекты в там увлекаются им. При этом кусок вещества, попадающий в эргосферу, расщепляется на две части. Например, материя может состоять из двух частей, которые разделяются путем выстрела взрывчатого вещества или ракеты, которая раздвигает ее половинки. Импульс двух частей материи, когда они разделяются, можно организовать так, чтобы одна часть ускользнула из черной дыры (она «ускользнула в бесконечность»), а другая упала за горизонт событий в черную дыру. При тщательном размещении у убегающей части материи может быть большая масса-энергия, чем у исходной, а её падающая часть получает отрицательную массу-энергию. Хотя импульс сохраняется, эффект заключается в том, что при таком процессе можно извлечь больше энергии, чем изначально предусмотрено. Причем разница обеспечивается самой черной дырой. Таким образом, процесс приводит к небольшому уменьшению углового момента черной дыры, что соответствует передаче энергии материи. Потерянный импульс, в свою очередь, преобразуется в извлеченную энергию.
Процесс Пенроуза указывает на возможность получения энергии из черной дыры, но его нельзя назвать хорошим практическим методом. Для его реализации необходимо, чтобы две новорожденные частицы обладали скоростью, превышающей половину скорости света. Ожидаемая частота таких событий настолько редка, что не позволит получить значительное количество энергии.
Поэтому ученые активно ищут другие механизмы. К примеру, Стивен Хокинг показал, что черные дыры могут высвобождать энергию за счет теплового излучения. Еще одним способом извлечения энергии является процесс Блэнфорда-Знаека, основанный на электромагнитном взаимодействии.
Лука Комиссо (Luca Comisso) из Колумбийского Университета и Фелипе Асенхо (Felipe A. Asenjo) из Университета Адольфо Ибаньеса описали в своей статье еще одну из альтернатив процессу Пенроуза.
Черные дыры окружены горячей плазмой, частицы которой обладают магнитным полем. Основа нового механизма получения энергии из вращающихся черных дыр — пересоединение силовых линий магнитного поля внутри эргосферы. Черная дыра при этом должна находиться во внешнем магнитном поле, иметь большой спин (a
1) и окружающую ее плазму с сильной намагниченностью. Нужными свойствами обладают, например, черные дыры, образовавшиеся в результате длинных и коротких гамма-всплесков и сверхмассивные черные дыры в активных ядрах галактик.
Магнитное пересоединение ускоряет часть плазмы в направлении вращения дыры. Другая часть ускоряется в обратном направлении и падает за горизонт событий. Выделение энергии, как и в механизме Пенроуза, происходит, если поглощаемая плазма имеет отрицательную энергию, а ускоренная — «ускользает» из эргосферы. Отличие состоит в том, что для образования частиц с отрицательной энергией требуется диссипация энергии магнитного поля. В процессе, описанном Пенроузом, роль играет только инерция частиц.
Как говорят ученые, КПД описанного процесса — 150 процентов. Это значит, что процесс позволяет получить в полтора раза больше энергии, чем нужно затратить на его реализацию. Достижение КПД больше 100 процентов возможно, потому что высвобожденные из эргосферы частицы плазмы уносят энергию черной дыры. Открытие нового механизма извлечения энергии из черных дыр позволит астрономам лучше оценить их вращательный момент и понять, как они излучают энергию. До практического применения открытия еще далеко: необходимо выяснить, как долететь до черной дыры и разместить что-то в ее эргосфере, не угодив за горизонт событий.
Теория струн основана на гипотезе о том, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн на масштабах порядка планковской длины 10 −35 м
