Наразі фізики переживають золотий вік нових знань про чорні діри. З 2015 року дослідники можуть отримувати сигнали безпосередньо від чорних дір за допомогою гравітаційно-хвильової обсерваторії з лазерним інтерферометром (LIGO), в той час, як обсерваторії, такі як телескоп Event Horizon (EHT), отримують перші зображення тіні чорної діри. Цей рік не став винятком, зі свіжим врожаєм захоплюючих і унікальних результатів, які розширюють горизонти наших знань про чорні діри. Тут ми розглянемо деякі з найбільш вражаючих відкриттів 2020 року.
Нобелівську премію з фізики отримано за чорні діри
Начебто для підтвердження того, що 2020 був роком досліджень чорних дір, головне досягнення науки – Нобелівську премію – було вручено в жовтні трьом фізикам, чиї роботи пролили світло на життя цих загадкових космічних об’єктiв.
Роджер Пенроуз з Оксфордського університету у Великобританії отримав половину премії «за відкриття, що утворення чорної діри є надійним прогнозом загальної теорії відносності», в той час, як Андреа Гез з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі і Рейнхард Гензель з Боннського університету і Інституту позаземної фізики Макса Планка в Німеччині спільно розділили іншу половину «за відкриття надмасивного компактного об’єкта в центрі нашої галактики», – йдеться в повідомленні Шведської королівської академії наук. Андреа Гез – тільки четверта жінка, яка отримала Нобелівську премію з фізики, після Марії Кюрі в 1903 році, Марії Гепперт-Майер в 1963 році і Донни Стрікленд в 2018 році.
LIGO бачить крах найбільшої чорної діри
LIGO і його європейський аналог Virgo спостерігають за чорними дірами через гравітаційні хвилі в тканини простору-часу, що утворюються при коливанні масивних об’єктів.
На об’єктах вже зроблено кілька вражаючих відкриттів. Але в травні колаборація оголосила, що виявила найбільше зіткнення з чорною дірою в історії. Одна з них у 85 разів більша за масу Сонця, а інша в 66 разів більша за масу Сонця, стикаючись разом, вони утворюють чорну діру, маса якої у 142 рази перевищує масу Сонця. Крім встановлення рекордів, знахідка стала першою в так званій «забороненій» зоні чорних дір середньої ваги. Хоча астрономи бачили маленькі чорні діри розміром приблизно з наше Сонце і знають, що колосальні, в мільйони разів більше маси Сонця, існують в центрах галактик, ніхто ще раніше не виявив доказів існування чорних дір в цьому середньому діапазоні. Як саме вони утворилися, залишається загадкою, яку вчені зараз намагаються розгадати.
Первинні чорні діри – наскільки великі вони були?
Незабаром після Великого вибуху Всесвіт був пронизаний гарячим і турбулентним випромінюванням. У деяких регіонах енергія була досить щільною, щоб теоретично схлопнутися сама по собі і утворити чорну діру.
Хоча фізики досі не знають, чи існують ці первинні чорні діри (ПЧД), останнім часом вони міркували про те, що могло б статися, якби вони існували. У кількох статтях, в тому числі опублікованій в листопаді, було висловлено припущення, що ці чорні діри, деякі з яких будуть менше, ніж ті, що утворилися з вмираючих зірок, імовірно можуть становити темну матерію, невідому речовину, яке надає гравітаційний вплив на весь космос. У найближчі роки проводяться експерименти з пошуку ПЧД, які або підтвердять, або спростують їх існування.
Можливе існування надмасивних чорних дір
Що, якщо ви візьмете неймовірно масивні чорні діри, що знаходяться в центрах галактик, і збільшите їх до 11 разiв? Це те, що дослідники у вересневій статті запропонували, обговорюючи можливість «неймовірно великих чорних дірок» (SLABs).
Ці об’єкти важитимуть принаймні в 1 трильйон разів більше за масу Сонця, в 10 разів більше, ніж найбільша з відомих зараз чорних дір, чудовисько з масою у 66 мільярдів мас Сонця під назвою TON 618. Деякі з SLAB могли утворитися в ранньому Всесвіті, створюючи ще один клас первинних чорних дір, а це значить, що ми могли б побачити їх відбиток на космічному мікрохвильовому фоні, коли нашому Всесвіту було всього 380 000 років. Інших можна було б виявити, подивившись, як вони викривляють світло далеких зірок, якщо між нами виявиться SLAB. Ця концепція поки залишається гіпотетичною, але привертає підвищену увагу.
LIGO виявляє однобоке злиття
Більшість пар чорних дір, виявлених приладами LIGO і Virgo, мають приблизно однакову масу. Але у квітні колаборація оголосила, що спостерігала найасиметричнішу катастрофу.
Об’єкти, які зіткнулися на відстані близько 2,4 мільярда світлових років від нас, мали масу приблизно у 8 і 30 разів більше нашого Сонця відповідно. Така несподівана подія вважалася досить рідкісною, щоб гравітаційно-хвильові установки не помітили її всього через кілька років. Відкриття ставить під сумнів ці припущення і спонукає дослідників розглянути можливість ієрархічних злиттів, в яких одна чорна діра стикається з іншою, а потім утворений залишок зливається з ще однією чорною дірою.
Телескопи спостерігають, як чорна діра перетворює зірку в спагеті
Коли масивний об’єкт наближається до чорної діри на певній відстані, присутні там екстремальні гравітаційні сили можуть розірвати об’єкт на довгі нитки матеріалу, які розсипаються всюди.
Цей процес, в просторіччі званий спагетіфікація, спостерігався рідко, тому що більшість чорних дір оточена затемненою хмарою газу і пилу. Але в жовтні астрономам з Європейської південної обсерваторії вдалося сфотографувати спагетіфікацію зірки з безпрецедентною деталізацією, використовуючи як Very Large телескоп, так і телескоп New Technology. Ця подія, відома як AT 2019qiz, дасть дослідникам уявлення про такі явища і допоможе їм краще зрозуміти гравітацію в екстремальних умовах.
Найближча чорна діра з коли-небудь виявлених
Ніхто не хоче підходити надто близько до чорної діри. На щастя, космічний Pac-Man, помічений в травні на орбіті з парою зірок-компаньйонів, відомих як HR 6819, знаходиться на астрономічно безпечній відстані від своїх партнерів.
Нова чорна діра ховається в 1000 світлових роках від Землі в південному сузір’ї Telescopium, у три рази ближче, ніж попередній рекордсмен. Астрономи не можуть безпосередньо спостерігати саму чорну діру, але змогли зробити висновок про її присутність, грунтуючись на тому, як вона гравітаційно впливає на два інших об’єкти в системі. Спостерігачі в Південній півкулі можуть побачити зірки в системі HR 6819 неозброєним оком, переглянувши зоряну карту і подивившись в сузір’я Telescopium, недалеко від кордону з сузір’ям Pavo.
Чорні діри можуть мати форму кульки
Для утворення чорної діри матерія і енергія повинні схлопнуться до крихітної точки нескінченної щільності. Оскільки подібні нескінченності повинні бути фізично неможливими, теоретики давно шукали спосіб обійти такий дивний результат.
Відповідно до теорії струн, яка замінює всі частинки і сили субатомними, вібруючими струнами, чорні діри можуть виявитися чимось ще більш дивним – клубком фундаментальних струн, схожим на нечітку пряжу. У жовтні дослідження показало, що якщо атоми в нейтронних зірках, тип зіркових залишків, недостатньо щільних, щоб утворити чорну діру, насправді були зв’язкою струн, то стиснення цих струн разом насправді утворило б не чорну діру, а пухнастий клубок – це було б схоже на вищезгаданий клубок пряжі. Дивна ідея ще не отримала повного втілення, але це одна з можливих альтернатив роботі з нескінченністю.
У Всесвіті можуть ховатися небезпечні «голі» чорні діри
За словами фізиків, кожна чорна діра повинна бути оточена так званим горизонтом подій – кордоном, через який, впавши, ви ніколи не вийдете. Проте, відтоді, як були вперше постульовано чорні діри, дослідники ставили собі питання, чи необхідний горизонт подій строго.
Чи може бути чорна діра без нього, так звана «гола» чорна діра? Це може бути небезпечно, оскільки відомі закони фізики порушуються всередині горизонту подій чорної діри, а оголена чорна діра не зможе забезпечити захист цього бар’єру. Хоча більшість теоретиків вважають, що нагота для чорних дір заборонена, в листопадовій статті говорилося, що є спосіб перевірити це напевно. Виверт полягає в тому, щоб знайти відмінності в акреційних дисках або кільцях з газу і пилу, що утворилися при живленні чорної діри, які можуть вказувати на видиму різницю між голими і нормальними чорними дірами.
Скарб чорних дір
У цьому році для вчених, що займаються вивченням чорних дір, Різдво настало рано. У жовтні співдружність, що спостерігає за LIGO і його європейським аналогом Virgo, випустила великий новий каталог з десятків сигналів гравітаційних хвиль, виявлених в період з квітня по вересень 2019 року.
39 подій включали в себе безліч інтригуючих відкриттів, таких як масивне злиття чорних дір, яке призвело до залишку з масою у 142 Сонця, надзвичайно однобока подія з масами об’єктів, більшими за Сонце, і загадковий об’єкт, який, здавалося, був або маленькою чорною дірою, або великою нейтронною зіркою. Дослідники були в захваті від даних, які показали, що об’єкти отримують в середньому один новий сигнал кожні п’ять днів, і планують використовувати їх, щоб краще зрозуміти поведінку і частоту злиття чорних дір.
Читайте також: