Что знают ученые о черных дырах?

Представьте себе это так. Если бы Земля стала черной дырой (этого, конечно, не произойдет), она весила бы столько же, но по размерам была меньше глазного яблока. При этом это глазное яблоко обладало бы таким же гравитационным притяжением, и Луна вращалась бы на его орбите.

Вы не можете увидеть черную дыру напрямую, потому что границу вокруг ее чрева (горизонт событий) не дает свету вернуться. Но невидимый ветер сгибает и раскачивает деревья — мы знаем, что черные дыры существуют, поскольку видим эффекты, которые они проявляют на свое окружение.

Не все ученые верят в черные дыры. Но те, кто верят, не перестают удивляться.

Наши предки могли видеть черную дыру Млечного Пути

Около двух миллионов лет назад в центре нашей галактики появилась сверхмассивная черная дыра, озарив все вокруг радиационным светом. На тот момент человек только встал на задние ноги и научился ходить прямо. Наши предки могли видеть луну из света в южной части неба, яркое пятно.

Наша черная дыра Sagittarius A* сейчас ведет себя тихо. Но тогда она была активным галактическим ядром, выбрасывающим энергию, которая затмевала все остальное. Причиной этого была «кормежка» черной дыры, ее гравитационная тяга привлекала материю, образующую диск, который нагревался и светился. Если диск состоит из гигантского количества материи, два ярких джета (потока) высокоэнергетических частиц будут излучаться из черной дыры, перпендикулярно ее вращению.

Астрономы разработали теорию активного галактического ядра в 2010 году, когда наткнулись на два пузыря Ферми, растянувшихся на 25 000 световых лет над и под нашей галактикой. Ученые считают, что джеты активного ядра галактики могли создать эти пузыри от одного до трех миллионов лет назад. Наши далекие предки могли наблюдать свет черной дыры несколько тысяч лет. Крис Стрингер, антрополог, считает, что это «было начало рода Homo. Инструменты из камня уже начали делать, но мозг только начал увеличиваться». Если Sagittarius A* снова станет активным галактическим ядром, мы можем получить собственное светопредставление в ночном небе.

Не только черные дыры являются мощными источниками энергии

На протяжении многих лет многие ученые считали, что чрезвычайно яркие рентгеновские источники, известные как ультраяркие источники рентгеновских лучей (ULX), возникают, когда черные дыры пожирают звезды или другую материю. Когда мощная гравитация черной дыры притягивает газ ближайшей звезды, газ закручивается в спираль и образует диск аккреции вокруг черной дыры. Как вода закручивается, прежде чем уйти в водопровод, газ сильно ускоряется, нагревается до чрезвычайно высоких температур и начинает излучать рентгеновский свет во всех направлениях. Чем больше черная дыра «кушает», тем ярче этот свет.

Такой была теория. Но потом в ближайшей галактике M82 астрономы случайно обнаружили источник ULX, который пульсирует, излучая яркие рентгеновские лучи, которые попадают на Землю каждые 1,37 секунд, словно свет маяка. Проблема в том, что черные дыры не пульсируют. Пульсары пульсируют.

Пульсар — это вращающаяся нейтронная дыра (остатки умирающей звезды, которая была недостаточно большой, чтобы стать черной дырой), которая излучает рентгеновский свет в магнитных полюсах. Тем не менее пульсар в галактике M82 был в 100 раз ярче, чем позволяла его масса, если руководствоваться физическим пределом Эддингтона. Он не должен был быть источником ULX. Грубо говоря, пульсар обладал мощностью черной дыры при гораздо меньшей массе. Такой себе эквивалент черной дыры на диете.

Теперь астрономы должны пересмотреть другие источники ULX и проверить, пульсируют ли они. Получается, не каждый источник ULX — черная дыра.

Прожорливее, чем можно представить

До недавнего времени ученые думали, что размер черной дыры определяет максимальную скорость, с которой она поглощает и производит свет (вышеупомянутый предел Эддингтона). Пока не обнаружили P13, черную дыру в галактике NGC7793, которая вращается вокруг сверхгигантской звезды, пожирая ее. При этом P13 пожирает газ своего компаньона в 10 раз быстрее, чем было возможно по мнению астрономов.

P13, как полагают, в 15 раз меньше нашего Солнца, но в миллион раз ярче. Она может поглотить своего спутника меньше чем за миллион лет, что достаточно быстро по меркам космоса. Эта маленькая черная дыра поглощает материю, эквивалентную сотне миллиардов хороших бутербродов или хот-догов, каждую минуту. По этому поводу астрономы шутят: «Как показал легендарный поедатель хот-догов Такеру Кобаяши [очень худой парень], размер не всегда имеет значение в мире поедания на скорость, и даже небольшая черная дыра может поглощать газ с невероятной скоростью», — Роберто Сориа.

Как и пульсар M82, P13 является ультраярким источником рентгеновского излучения, который также нарушает предел Эддингтона. Астрономы пытаются понять, есть ли вообще какое-либо ограничение того, как много может съесть черная дыра.

Сверхмассивных черных дыр может быть больше, чем мы думали

Черные дыры бывают разных размеров, от первичных (размером с атом, например) до сверхмассивных (с массой больше миллиона солнц, упакованных до размера солнечной системы). Могут быть даже редкие гиганты — ультрамассивные черные дыры. Когда-то думали, что только в крупных галактиках могут быть массивные черные дыры. Но в начале 2014 года астрономы обнаружили более сотни карликовых галактик со сверхмассивными черными дырами в центре. По сравнению с Млечным Путем, в котором 200-400 миллиардов звезд, в карликовой галактике может быть всего несколько миллиардов звезд.

В сентябре 2014 года астрономы нашли сверхмассивную черную дыру в сверхкомпактной карликовой галактике M60-UCD1, самой плотной из известных сегодня галактик. Если бы вы жили в M60-UCD1, вы видели бы миллион звезд в ночном небе (на Земле невооруженным глазом можно увидеть только около 4000).

Хотя масса черной дыры в центре Млечного Пути — около четырех миллионов солнечной, на нее приходится меньше 0,01% общей массы нашей галактики. По сравнению с ней, дыра в центре M60-UCD1 просто монстр, массой в 21 миллион солнц — 15% от общей массы галактики. На основе этих выводов некоторые астрономы полагают, что множество компактных карликовых галактик могут быть останками крупных галактик, которые были разорваны на части, столкнувшись с другими галактиками. Поэтому в их центрах может быть множество сверхмассивных черных дыр.

Юные пожиратели массы

Квазары — это яркие центры большинства удаленных галактик, которые мы можем видеть во Вселенной. Полагают, что они представляют собой сверхмассивные черные дыры с дисками аккреции, излучающими невероятно яркий рентгеновский свет. Квазары могут светить в триллионы раз ярче нашего Солнца. И могут быть за миллиарды световых лет от Земли. Смотреть на квазар — это как смотреть на его детский снимок.

Ученые долго думали над тем, как черная дыра могла начать с 10 солнечных масс и быстро вырасти до миллиарда солнечных масс вскоре после Большого Взрыва. При нормальных условиях газ по спирали стягивается к черной дыре, образуя диск аккреции. Некоторое количество газа стекает внутрь, но обычно есть процессы, которые замедляют рост черной дыры.

Ученые считают, что в юной Вселенной были поток холодного газа, более плотные, чем сегодня. Юная черная дыра могла двигаться быстрее, постоянно меняя направление, подобно младенцу Pac-Man, пожирая юные звезды вокруг. Быстрые изменения направления могли привести к тому, что черная дыра поглощала материал прямо из плотных газовых потоков так быстро, что ее рост не замедлялся. Чем старше становилась черная дыра, тем быстрее она насыщалась. В пределах относительно недолгих 10 миллионов лет, черная дыра могла вырасти с 10 солнечных масс до 10 000. Затем рост замедлился. Но путь к массе в миллиард солнечных масс был уже проложен.

Черные дыры мешают образованию звезд

Ученые обнаружили, что массивные черные дыры в зрелых галактиках могут мешать развитию юных звезд, извергая частицы, испускающие радиоволны. Путешествуя почти с околосветовой скоростью, эти нагретые джеты действуют как выключатели, не давая газу в галактике охлаждаться и конденсироваться в новые звезды. Ученые не знают, почему центральные черные дыры в старых и часто эллиптических галактиках начинают испускать эти частицы.

До недавнего времени ученые полагали, что центральные черные дыры виноваты в наличии «красных и мертвых галактик», состоящих только из старых звезд. Но затем они обнаружили несколько компактных и юных галактик, которые умерли преждевременно. Эти юные галактики обладают массой Млечного Пути, втиснутой в относительно небольшую площадь.

На основе своих исследований команда астрономов решила, что эти звезды ответственны за активацию собственного выключателя в юных галактиках. Вспышка звездообразующей активности началась со столкновения двух богатых газом галактик, которые привезли много холодного газа в компактный центр слияния галактик. Затем энергия бешеной активности могла выбить весь оставшийся газ, что привело к отмене будущего образования звезд. Также возможно, что газ в этих галактиках просто стал слишком горячим, чтобы охладиться и сконденсироваться в новые звезды.

«Глаз Саурона» показал, что черные дыры весят больше

Сейчас астрономы думают, что сверхмассивные черные дыры в центрах галактик весят на 40% больше, чем предполагалось изначально. Это также может объяснить, почему предел Эддингтона не работает в некоторых расчетах массы.

Ученые использовали наземную технику для измерения дистанции до галактики NGC 4151, активное ядро которой называют «Глазом Саурона», поскольку оно похоже на одноименный объект из фильма «Властелин колец». Прежнее измерение расстояния от Земли до NGC 4151, точнее до ее центральной черной дыры, оценивалось в 13-95 миллионов световых лет. С помощью телескопов Кека на Гавайях удалось добиться 90-процентной точности измерений. Черная дыра NGC 4151 активна, поглощает ближайший газ и испускает рентгеновский свет. Ультрафиолетовое излучение нагревает диск пыли, вращающийся вокруг черной дыры. Через 30 дней пыль начинает излучать инфракрасную радиацию. На основе этого времени и скорости света ученые рассчитали расстояние от черной дыры до пылевого диска. Дальнейшие расчеты показали, что до «Глаза Саурона» приблизительно 62 миллиона световых лет. На основе этих расчетов и техники ученые теперь могут более точно вычислить массу сверхмассивных черных дыр.

Объяснить полет шмелей

До недавнего времени исследователи гравитации в большинстве своем предполагали, что пространство-время не может быть турбулентным. Но это мнение оказалось ошибочным, когда ученые решили проверить, может ли гравитация вести себя подобно жидкости. При определенных условиях жидкости турбулентны. Они могут закручиваться и завихряться.

Ученые решили проверить свою догадку на примере быстровращающейся черной дыры. Пространство-время вокруг такой дыры менее вязкое, что увеличивает шанс на появление турбулентности, по аналогии с любой легкой жидкостью. Результаты удивили всех.

«За последние несколько лет мы прошли путь от серьезных сомнений по поводу того, что гравитация может быть турбулентной, до почти полной уверенности в том, что да, может», — говорит ученый Луис Ленер.

Очень скоро новые детекторы позволят фиксировать гравитационные волны, рябь в пространстве-времени, которая ведет себя подобно волнам в океане, когда по нему плывет корабль. В космосе гравитационная жидкость может покрываться рябью вследствие мощных космических событий вроде слияние двух черных дыр. Также эти исследования могут помочь в исследовании турбулентности на Земле — включая физику ураганов, влияние ветра на самолеты и совершенно невозможного на первый взгляд полета шмелей.

Криминальный секрет галактического центра

Некоторые астрономы полагают, что в космосе есть что-то криминальное в превращении пульсаров в небольшие черные дыры. Они называют это «проблемой недостающих пульсаров». Как мы помним, пульсары — это вращающиеся нейтронные звезды (остатки звезды, которая была слишком маленькой, чтобы стать черной дырой), которые испускают радиацию с магнитных полюсов, подобно маяку. С таким обилием звезд в нашей галактике хотя бы 50 мертвых звезд должны стать пульсарами в центре Млечного Пути. Но астрономы смогли найти только один.

Есть несколько возможных объяснений, но самое интересное включает черную материю. Как и черные дыры, темная материя невидима и может быть зафиксирована только по гравитационному влиянию на другие объекты в космосе.

Несколько ученых предположили, что гравитация пульсара может притягивать определенных частицы темной материи, в результате чего пульсар «разбухает» до такого размера, что коллапсирует в черную дыру. Пульсары становятся настолько большими, что пробивают дыру в ткани пространства-времени и исчезают.

«Темная материя не может собираться так плотно или так быстро в центрах обычных звезд, — говорит ученый Джозеф Браманте. — Но в пульсарах темная материя может собираться в 2-метровый шар. Затем этот шар коллапсирует в черную дыру и засасывает пульсар».

Некоторая темная материя также может совмещать материю и антиматерию в частице. Такие частицы уничтожают друг друга при контакте. Ученые считают, что только асимметричные частицы темной материи (содержащие только материю или антиматерию) могут накапливаться в ядре пульсара с течением времени. Поскольку в галактических ядрах присутствует большая концентрация темной материи, это может объяснить, почему пульсаров недостает в центре нашего Млечного Пути.

Вселенная могла родиться из четырехмерной черной дыры

Одна из больших проблем, связанных с теорией Большого Взрыва, заключается в том, что наша научно предсказуемая Вселенная произошла из сингулярности, бесконечно плотной точки, для которой эти правила научной предсказуемости не работают. Физики просто не понимают сингулярности. Они не могут объяснить и что вызвало Большой Взрыв. Некоторые физики вообще считают маловероятным, что такое хаотичное начало произведет Вселенной с относительно однородной температурой.

Три ученых из Института Периметра предложили новую теорию, которая математически обоснована и вполне проверяема. Они утверждают, что наша Вселенная стала результатом жестоко выброшенного материала в процессе смерти четырехмерной звезды, внутренние слои которой коллапсировали в черную дыру. В нашей вселенной трехмерная черная дыра обладает двухмерным горизонтом событий, точкой невозврата для всего, что попадает в пределы черной дыры.

Во Вселенной с четырьмя пространственными измерениями четырехмерная черная дыра обладала бы трехмерным горизонтом событий. Наша вселенная, выброшенный материал сверхновой, образовала бы трехмерную мембрану вокруг трехмерного горизонта событий. Эта мембрана растет, мы называем этот рост космическим расширением. Наша трехмерная вселенная должна была унаследовать однородность родительской четырехмерной вселенной, если последняя существовала бы долгое время. Если мы считаем эту теорию абсурдной, ученые парируют, уверяя нас в том, что мы просто не понимаем четырехмерную вселенную. Возможно, наше трехмерное мышление представляет собой только верхушку айсберга реальности.