Дослідження Всесвіту: Які розміри чорної діри?

Astronomy
Astronomy

Американський щомісячний науково-популярний журнал

Чорна діра, бачення художника

NASA/JPL-Caltech

Вчені часто обговорюють масу чорних дір, але які розміри і об'єм цих гігантських, але невидимих об'єктів?

Про це пише Astronomy.

Десь в центрі Чумацького Шляху ховається гігантська чорна діра, маса якої в декілька мільйонів разів перевершує масу Сонця. Як і всі чорні діри, цей надмасивний гігант під назвою "Стрілець А*" (скорочено Sgr A*, вимовляється "Стрілець А з зірочкою", — прим. перекл.) поглинає все, що потрапляє в область дії його гравітаційного поля, — цей гігант пожирає абсолютно все, включаючи світло. Тим не менш, поглинання матерії — це лише один із способів, за допомогою якого ці космічні монстри виростають воістину до астрономічних розмірів, набираючи запаморочливу масу. Зауважимо, що характеризуючи чорну діру як гігантський космічний об'єкт, астрономи зазвичай мають на увазі його гігантську масу, а не розміри.

І тут виникає логічне запитання: а які розміри різних чорних дір?

Розподіл чорних дір за класами залежно від маси.

Звичайна чорна діра (вона відома як "чорна діра зоряної маси") утворюється, коли еволюційний цикл масивної зірки, вага якої перевищує майже 8 сонячних мас, підходить до кінця. Після того, як догорять залишки ядерного палива, настає фаза швидкого гравітаційного стиснення (або гравітаційного колапсу) зірки, після чого відбувається гігантський вибух, — так з'являється наднова зірка. А те, що залишиться, перетвориться або на нейтронну зірку, або чорну діру, — все залежить від маси зірки. Маса таких чорних дір може варіюватися від кількох до кількох десятків сонячних мас.

Тим не менш питання про походження надважких чорних дір, таких як "Стрілець А*", які можуть в мільйони і навіть мільярди раз перевищувати масу Сонця, залишається невирішеним. Астрономи знають, що гігантські розміри і маса таких чорних дір, очевидно, пов'язані з галактиками спорідненим зв'язком, причому найбільші з надважких чорних дір були виявлені в центрах найбільших галактик.

Новини за темою: Чи може заселена планета обертатися навколо чорної діри?

Зазначені докази, а також свідоцтва, які нещодавно з'явилися щодо існування одного теоретично передбаченого класу чорних дір середнього розміру (їх називають чорними дірами середньої маси, яка варіюється від сотень до мільйона сонячних мас), мабуть, указують на те, що чорні діри можуть стати надмасивними після того, як безліч чорних дір зоряної маси і проміжної маси через мільярди років зіллються воєдино.

Ясно, що різні типи чорних дір можуть значно відрізнятися за масою, і все ж не зовсім ясно, наскільки вони різняться за розмірами.

А що, якщо Земля і Сонце були колись чорними дірами?

Щоб вивчити розміри чорних дір, спочатку розгляньмо два найбільш вивчені об'єкти — Землю і Сонце.

Маса Землі становить близько 6×1024 кг, і, хоча з точки зору обивателя це гігантська цифра, вона все-таки незначна порівняно з масою чорної діри.

Щоб з'явилася чорна діра, треба зібрати досить велику масу, причому її гравітаційне тяжіння має бути настільки сильним, що ніяка інша сила не зможе запобігти гравітаційному колапсу цієї маси. Ось чому вчені не змогли знайти чорні діри, такі ж легкі, як Земля, — цим космічним об'єктам просто не вистачило б маси для гравітаційного стиснення. (Але деякі вчені вважають, що в перші кілька секунд після Великого вибуху міг з'явитися клас так званих давніх первинних чорних дір. Маса цих гіпотетичних об'єктів могла би варіюватися від зовсім невеликої до гігантської, яка в десятки тисяч разів перевищує масу Сонця.)

Новини за темою: Знайдена найближча до Землі чорна діра, яка видима неозброєним оком

Вважається, що в центрі чорної діри розташована бездонна гравітаційна яма простору-часу, звана гравітаційною сингулярністю. Щільність цієї сингулярності нескінченна, і все, що туди потрапляє, залишається там назавжди. Зовнішній край чорної діри називається горизонтом подій; він являє собою ту межу, за яку не може вирватися жодна частинка матерії, що потрапила в гравітаційне поле чорної діри, включаючи кванти світла. Радіус горизонту подій залежить від маси чорної діри; цей радіус був вперше розрахований німецьким астрономом Карлом Шварцшильдом (Karl Schwarzschild) в 1916 році.

Для чорної діри масою, порівнянною з масою Землі, радіус Шварцшильда становить менше одного дюйма (2,54 см), — тобто розміром з кульку для настільного тенісу. Для Сонця радіус Шварцшильда складе трохи менше двох миль (3,2 км).

Які найменші з відомих чорних дір?

Як ми знаємо, чорні діри дуже важко виявити. І все тому, що, на відміну від зірок, вони не світяться, оскільки фотони світла ніколи не вирвуться за межі горизонту подій. Проте іноді у чорної діри з'являється акреційний диск — ореол речовини, що рухається навколо чорної діри; при цьому через тертя між шарами цієї речовини відбувається світіння. Вчені здатні спостерігати чорну діру лише завдяки світлу, що випромінюється акреційним диском; інакше чорна діра невидима. Крім того, чорну діру можна виявити по впливу, який вона справляє на інші космічні об'єкти. Наприклад, вчені виявили об'єкт "Стрілець А*" тільки після того, як була зафіксована дивина в поведінці семи зірок, що обертаються навколо нього.

Новини за темою: Вчені знайшли спосіб визначити існування чорної діри

За допомогою цих методів ученими за останні роки було знайдено безліч кандидатів на роль чорної діри, включаючи найменшу відому нам чорну діру, розташовану в подвійній системі GRO J1655-40. Газ з видимої зірки, розташованій в цій системі, перетікає до чорної діри, генеруючи достатній потік енергії для живлення мікроквазара.

Квазари розвиваються в надзвичайно яскравих активних ядрах галактик (це центри галактик), в яких знаходиться надмасивна чорна діра, оточена яскравим і потужним акреційним диском. За деякими оцінками, чорна діра в GRO J1655-40 важить приблизно в 5,4 рази більше Сонця, а її радіус складає близько 10 миль (16 км). Вивчаючи подібні мікроквазари, астрономи сподіваються краще зрозуміти можливий зв'язок між гігантами, прихованими в ядрах галактик, і невеликими чорними дірами, розкиданими по галактиці.

У 2008 році вчені спочатку прийшли до висновку, що виявили чорну діру ще меншого розміру, але пізніше тими ж дослідниками маса цього космічного об'єкта була скорегована. Будь-яка чорна діра менших розмірів могла з'явитися, швидше за все, в результаті злиття двох нейтронних зірок, а не в результаті гравітаційного колапсу вмираючої зірки. Лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія (LIGO) виявила гравітаційні хвилі від можливого злиття нейтронних зірок у 2017 році, всього через два роки після того, як гравітаційні хвилі були вперше виявлені. Гравітаційні хвилі, що випускаються під час злиття, дають вченим новий спосіб ідентифікувати чорні діри в радіусі 100 мільйонів світлових років від Землі.

З іншого боку, розмір чорної діри зоряної маси залежить від того, наскільки масивною була зірка, що їй передувала. Найважча зірка з усіх відомих, яка була знайдена на сьогоднішній день, окреслена абревіатурою R136a1, вона важить в 315 разів більше Сонця. Чорна діра з такою ж масою, що вийшла з неї в результаті гравітаційного колапсу, мала б радіус близько 578 миль (930,2 км). Незважаючи на свої великі розміри (порівняно з найменшими з відомих чорних дір), навіть ця величезна чорна діра зоряної маси непорівнянна зі своїми надмасивними родичами.

Наскільки великі чорні діри проміжної маси?

Між чорними дірами зоряної маси і надмасивними чорними дірами є так звані чорні діри проміжної маси — тобто довгоочікувана "відсутня ланка" в еволюції чорної діри. На сьогодні відомі лише кілька кандидатів на роль цієї ланки, у тому числі космічний об'єкт, знайдений телескопом "Хаббл" на початку нинішнього року. Такі об'єкти знайти ще важче, оскільки вони менш активні за відсутності близько розташованих космічних об'єктів, які служать для них своєрідним "паливом".

Маса чорної діри, нещодавно виявленої "Хабблом", в 50 тисяч разів перевищує масу Сонця. Вона знаходиться у віддаленому щільному зоряному скупченні, розташованому на околиці галактики більших розмірів, саме там астрономи очікували знайти докази цих "відсутніх ланок". Такий кандидат на роль чорної діри проміжної маси виявиться в десятки тисяч разів важче Сонця, а його радіус складе одну п'яту радіуса Сонця, або приблизно вдвічі більше радіуса Юпітера.

І хоча чорні діри проміжної маси мають значні розміри, їхня вага коливається в межах від 100 до 100 тисяч сонячних мас. Між тим маса надважких чорних дір може в мільярди разів перевершувати сонячну.

Визначаємо розміри надважких чорних дір

У центральної чорної діри нашої галактики, "Стрілець A*", розташованої в 26 тисяч світлових років від Сонця, радіус приблизно в 17 разів перевищує сонячний, а це означає, що розміри цієї чорної діри обмежені, наприклад, орбітою Меркурія. І хоча згадана нами чорна діра в Чумацькому Шляху важить близько 4 мільйонів сонячних мас, її розміри малі в порівнянні з розмірами деяких інших надмасивних чорних дір, які ховаються в центрі інших галактик.

Найбільша з надмасивних чорних дір, виявлених на сьогоднішній день, знаходиться у скупченні галактик Abell 85. У центрі цього скупчення розташована галактика Holm 15A, де загальна маса зосередженої там речовини становить близько 2 трильйона сонячних мас. Центр цієї галактики майже такий же великий, як Велика Магелланова Хмара, радіус якої складає 7000 світлових років.

Це скупчення зірок розташовано на відстані 700 мільйонів світлових років від Землі, його розміри вдвічі перевищують розміри будь-якої з попередніх чорних дір. Це було встановлено після того, як стала надходити інформація з обсерваторії на горі Вендельштейн при Університеті ім. Людвіга Максиміліана і від телескопа VLT (Very Large Telescope — "Дуже великий телескоп") Європейської Південної Обсерваторії. Вчені виявили, що чорна діра в центрі галактики Holm 15A володіє колосальною масою — 40 мільярдів сонячних мас, або приблизно дві третини маси всіх зірок Чумацького Шляху. При такій гігантській масі вона має діаметр, який можна порівняти з діаметром Сонячної системи, — взагалі це небувалий розмір для будь-якого одиничного об'єкта.

Але розмір спостережуваного Всесвіту становить 46,5 мільярдів світлових років у всіх напрямках, а це означає, що астрономи роблять лише перші кроки, що дозволяють зрозуміти природу чорних дір. Тільки рік тому з допомогою телескопа Event Horizon Telescope (Телескоп горизонту подій), який складається з восьми телескопів, розташованих в різних частинах Землі, вперше вдалося отримати зображення чорної діри. Крім того, очікується, що обсерваторії LIGO і Virgo, що вивчають гравітаційні хвилі, зможуть щорічно виявляти завдяки новим технологіям близько 40 злиттів подвійних зірок, а також відкривати чорні діри і нейтронні зірки, розташовані по сусідству з такими зірками. Крім того, завдяки більш досконалим телескопам, таким як Космічний телескоп НАСА імені Джеймса Вебба (James Webb Space Telescope, JWST) і Надзвичайно великий телескоп (Extremely Large Telescope, ELT) Європейського космічного агентства, які отримають перші зображення протягом наступного десятиліття, складно передбачити, скільки взагалі чорних дір — цих космічних монстрів буде виявлено в майбутньому в темних глибинах космосу.

Кейтлін Буонджорно

За матеріалами: ІноЗМІ

Редакція не несе відповідальності за думку, яку автори висловлюють у блогах на сторінках ZIK.UA

*Якщо Ви знайшли помилку в тексті новини, виділіть її та натисніть Ctrl+Enter.

Loading...