Спросите Итана №15: Самые большие чёрные дыры во Вселенной

http://scienceblogs.com/startswithabang/2013/12/13/ask-ethan-15-the-universes-most-massive-black-holes/
  • Перевод
image
Лишь спускаясь в бездну, мы познаём драгоценности жизни. Где вы споткнётесь, там и найдёте свою драгоценность.
— Джозеф Кэмпбел

Читатель спрашивает:
Наблюдая за удалёнными квазарами мы видим их сверхмассивные чёрные дыры, массою в 109 солнечных. Каким образом им удаётся достигать такого размера за такое короткое время?

Эта проблема более сложна, чем кажется на первый взгляд. Начать нужно с астрофизики.

image

Вы, возможно, уже знаете, что звёзды бывают разных размеров и цветов, с разным сроком жизни и массы, и что все эти свойства связаны друг с другом. Чем больше звезда, тем больше ее ядро, в котором, согласно принципам ядерного синтеза, сгорает её топливо. Это значит, что более массивные звезды горят более ярко, при более высоких температурах, у них больше радиус и сгорают они тоже быстрее.

image

Если звезде, вроде нашего Солнца, может потребоваться больше десяти миллиардов лет, чтобы сжечь все её топливо в ядре, то звёзды могут быть в десятки и даже сотни раз массивнее нашего Солнца, и вместо миллиардов лет они могут синтезировать весь водород в ядре в гелий за несколько миллионов, а в некоторых случаях, даже за несколько сотен тысяч лет.

image

Что случается с ядром, когда оно сжигает свое топливо? Надо учесть, что энергия, освобождающиеся при этих реакциях — это единственное, что сдерживает ядро против огромной силы гравитации, которая постоянно работает над сжатием всей материи в звезде в наименьший возможный объём. Когда эти реакции синтеза останавливаются, ядро быстро сжимается. Скорость сжатия имеет значение, потому что, если сжимать материю медленно, температура будет оставаться постоянной, но у неё будет увеличиваться энтропия; а если сжимать её быстро, то энтропия будет постоянной, а температура будет увеличиваться.

image

В случае массивных звёзд увеличение температуры означает, что звезда может начать синтезировать всё более и более тяжелые элементы, начиная от гелия, проходя через углерод, азот, кислород, неон, магний, кремний, серу, и в конце концов подходя к железу, никелю и кобальту. Заметьте, что эти элементы формируются с увеличением ядерного числа на 2, из-за того, что гелий соединяется с существующими элементами. И когда вы доходите до железа, никеля и кобальта, самых стабильных элементов, то дальнейший синтез становится невозможным, и ядро взрывается наружу, превращаясь в сверхновую 2-го типа.



Если это происходит не в очень массивной звезде, вы получите ядро нейтронной звезды. А если вы возьмете более массивную звезду, с более тяжёлым ядром, то она не выдержит гравитации и создаст внутри себя чёрную дыру. Звезда размером в 15-20 раз больше Солнца, скорее всего, создаст чёрную дыру в центре после своей смерти. А более массивные звёзды будут создавать более массивные чёрные дыры. Можно представить себе огромное количество достаточно массивных звёзд, из которых рождаются черные дыры, находящиеся в ограниченном пространстве. А затем эти чёрные дыры объединяются вместе со временем, или же происходит как объединение чёрных дыр, так и пожирание ими звёздной и межзвёздной материи, что, по нашим наблюдениям, тоже случается.

image

К сожалению, это происходит не настолько быстро, чтобы совпасть с нашими наблюдениями. Видите ли, если звезда становится слишком массивной, внутри неё не появится черная дыра! Если наблюдать за звездами массой от 130 солнечных, то внутренности звезды становятся настолько горячими, и в них содержится столько энергии, что высокоэнергетические частицы, появляющиеся там, могут формировать пары материя-антиматерия в виде позитронов и электронов. На первый взгляд, в этом нет ничего страшного, но вспомните, что происходит в ядрах этих звезд: всё, что удерживает их от коллапса, это давление, оказываемое изнутри изучением, происходящим от ядерного синтеза. А когда начинают появляться пары электронов и позитронов, они исключаются из присутствующего излучения, что приводит к уменьшению давления на ядро изнутри. Такие вещи начинаются уже у звёзд массой от 100 солнечных, но если вы дойдёте до массы в 130 солнечных, давление уменьшается настолько, что звёзды начинают коллапсировать — и очень быстро!

image

Ядро разогревается, а в нём содержится большое количество позитронов, которые аннигилируют с обычной материей и производят гамма-излучение, которое ещё больше разогревает ядро. В конце концов, у вас получается нечто настолько энергичное, что это разрывает всю звезду в клочья, очень ярким и красивым образом. Так получается сверхновая нестабильных пар. Это не только уничтожает внешние слои звезды, но и само ядро, и после этого взрыва не остается совсем ничего!

Даже без учёта достаточно больших черных дыр, быстро сформировавшихся в нашей Вселенной, мы всё равно можем получить сверхмассивные черные дыры — такие, как та, что находится в центре нашей галактики. У неё, судя по орбитам звёзды, вращающихся вокруг, масса составляет несколько миллионов солнечных масс.

image

Но таким способом нельзя получить чёрные дыры, весящие миллиарды солнечных масс, как та, что находится в достаточно недалекой от нас галактике Messier 87.

image

То, о чём спрашивает читатель, это сверхмассивные чёрные дыры, весящие порядка несколько миллиардов солнечных масс. И они обнаруживаются с большим красным смещением, что говорит о том, что они уже очень давно были очень большими.

Можно подумать, что во Вселенной с самого начала уже были такие огромные чёрные дыры, но это не соответствует тому, что мы знаем о молодой вселенной по спектральной мощности материи и из фонового космического излучения. Откуда бы ни появились эти сверхмассивные чёрные дыры, маловероятно, что они были здесь с самого начала — но сейчас их можно найти даже в очень молодых галактиках!

image

Значит, если обычные звёзды не могут произвести такие чёрные дыры, и Вселенная не родилась вместе с ними,- откуда же они взялись?

Оказывается, что звезды могут быть даже ещё более массивными, чем те о которых мы уже говорили. И когда они достигают огромных масс, то появляется новая надежда. Давайте вернёмся к первым звёздам, сформировавшимся во Вселенной из доисторических водорода и гелия – газов, которые тогда существовали, всего лишь через несколько миллионов лет после Большого взрыва.

image

Есть много доказательств, указывающих на то, что в то время звёзды формировались в крупных регионах — не так, как сегодняшние звёздные кластеры в нашей галактике, содержащие несколько сотен или тысяч звёзд. Тогда большие скопления содержали миллионы или даже больше звёзд. Если мы посмотрим на ближайший к нам и крупный регион формирования звёзд в туманности Тарантул, находящейся в Большом Магеллановом облаке, мы сможем понять, что происходит.

image

Этот район космоса имеет 1000 световых лет в поперечнике. В его центре есть огромная область, где формируются новые звезды — R136. Она содержит новые звёзды, чья масса в сумме составляет около 450000 солнечных масс. Этот комплекс активен, там формируются новые массивные звезды. А в центре центрального региона можно обнаружить кое-что действительно уникальное: самую массивную из всех известных звёзд во Вселенной!

image

Самая большая звезда в этом районе в 265 раз тяжелее Солнца, и это очень примечательное явление. Вспомним, что я говорил о сверхновых нестабильных пар, и как они уничтожают звёзды, которые тяжелее 130 солнечных масс, и не оставляют после себя чёрные дыры. Эта формула работает до определённого момента — только для звёзд, у которых масса больше 130 солнечных, но меньше 250 солнечных. А если масса увеличится ещё больше, мы будем получать гамма-излучение такой силы, что будет происходит фотоядерная реакция — когда гамма-лучи охлаждают внутренности звезды, выбивая тяжёлые ядра и превращая их в свет.

image

Если звезда обладает массой более 250 солнечных масс, она полностью сколлапсирует в черную дыру. Звезда массой 260 солнечных масс может создать чёрную дыру массой 260 солнечных. Звезда в 1000 солнечных масс создаст чёрную дыру массой 1000 солнечных масс. И поскольку мы можем сделать звёзды с огромными массами в нашем изолированном уголке космоса, то мы можем сделать эти объекты в то время, когда Вселенная была молодая. И мы, скорее всего, сделали достаточно большое количество этих объектов – а ведь они ещё будут объединяться.



А если можно создать район, где образовалась массивная чёрная дыра в несколько тысяч солнечных масс всего лишь через несколько миллионов или десятков миллионов лет после Большого взрыва, то быстрое объединение и аккреция этих регионов, где формируются звёзды, наводит на мысль о том, что эти ранние большие черные дыры однозначно объединялись бы друг с другом. Через короткое время они сформировали бы всё большие и большие чёрные дыры в центрах этих регионов, которые затем превратились в первые гигантские галактики Вселенной.

image

Этот рост, продолжающийся во времени, легко может привести нас к скромным прикидкам о чёрных дырах массой в несколько сотен миллионов солнц, которые может породить галактика размером с Млечный путь. Нетрудно представить, что более массивные галактики и нелинейные эффекты могут увеличить вероятные массы чёрных дыр до миллиардов солнечных масс без всяких проблем. И хотя мы не знаем точно, но насколько мы можем судить, исходя из тех знаний, которые у нас есть – именно так и появляются сверхмассивные чёрные дыры.
Поделиться публикацией
Никаких подозрительных скриптов, только релевантные баннеры. Не релевантные? Пиши на: adv@tmtm.ru с темой «Полундра»

Зачем оно вам?
Реклама
Комментарии 16
  • –3
    Вообще странно, почему всегда говорят о черных дырах так уверенно? Ведь в настоящий момент это исключительно теоретический объект, практически существование которого не доказано. А все что мы наблюдаем — называем черными дырами лишь из-за похожего на ожидаемое поведение. Реальное доказательство или опровержение существования черных дыр будет невероятным открытием, который сильно сузит количество теорий гравитации.
    • +2
      А какие практические доказательства можно ожидать на данном этапе развития?
      Ближайшая известная дыра (V404 Cygni) от нас в 7800 световых годах, да и даже если мы до нее доберемся в обозримом будущем, как вы представляете себе «практику»? Дыры прекрасно вписываются в ОТО, не противореча абсолютно ничему.

      Так можно и Солнце считать теоретическим объектом.
      • +2
        А что можно в данном случае считать практическим доказательством? Если кто-то потрогает её руками, и скажет, есть ли у неё волосы? (http://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=4694)
        • 0
          Существуют косвенные методы доказательства, по тому же гамма-излучению (излучению Хоккинга). Если бы мы обнаружили объект, который абсолютно точно ведет себя согласно предсказаниям, это уже можно было бы считать весомым аргументом. На сколько я знаю, пока ближе всего к этому сверх-массивные черные дыры.
          Но факт остается фактом, и черные дыры остаются теоретическим объектом, о факте существования которых мы лишь догадываемся. Пусть и с большой вероятностью.
          • 0
            Есть теоретические выкладки в начале прошлого века.

            Есть конкретные, непосредственно наблюдаемые объекты, вполне соответствующие тем теоретическим выкладкам. Можно было бы назвать те объекты, с колоссальной мощи гравитационным притяжением (это, опять же, наблюдается и по линзированию света, и по влиянию на окружающие объекты), как-то иначе, но зачем плодить сущности? Всё вполне сходится с теорией.
            • +2
              Гамма-излучение идёт от аккреционного диска, а излучение Хокинга тепловое.
              Вообще, про многое в современной физике можно сказать, что это лишь теория, как-то подтверждаемая косвенными доказательствами. А что такое «абсолютно точно ведёт себя согласно предсказаниям»? Всегда есть только какие-то пределы, в рамках которых мы можем это утверждать.
              • 0
                Черная дыра в широком смысле — область в пространстве-времени, из-за гравитационных сил внутри которой даже свет не может её покинуть. На сколько мне известно, непосредственно такие объекты мы еще не наблюдали. В узком смысле в рамках СТО — это тело, обладающее бесконечной плотностью и бесконечно малым объемом. Со вторым пока сложновато, покуда все в этой точке перестает работать, даже время перестает течь.
                С первым — мы наблюдали гравитационное линзирование, изменение траекторий и прочие признаки, характерные для черных дыр, но непосредственно объекта (точнее, область вокруг него), который свет покинуть не может — нет. А прочие косвенные признаки могут означать другие объекты в альтернативных теориях гравитации большей или меньшей бредовости.

                Я имею ввиду то, что несмотря на обилие наблюдений, говорящих в пользу черных дыр, пока что мы не в праве утверждать это как факт. И про то, что не верно преподносить подобную информацию как прописную истину, а стоит относится к ней как к предположениям, которые с большой степенью вероятности истины. Пусть как неопровержимый факт религии что-либо преподносят. В науке же сомнения — нормальное и полезное явление.

                Я не про эту статью, я в целом — смотришь различную публицистику — везде черные дыры преподносятся как неопровержимый доказанный факт и это неправильно.
                • +2
                  > В узком смысле в рамках СТО — это тело, обладающее бесконечной плотностью и бесконечно малым объемом.
                  В рамках СТО не существует гравитации и ее эффектов. Черные дыры — к ОТО.

                  > несмотря на обилие наблюдений, говорящих в пользу черных дыр, пока что мы не в праве утверждать это как факт
                  Если вы назовете те наблюдаемые объекты «темнеющие отверстия» и начнете пытаться объяснить их, то придете к тому самому теоретическому понятию черной дыры как наилучшему объяснению. Так какая разница?
                  • 0
                    В целом, я с вами согласен. С другой стороны, это как требовать, чтобы все предваряли свои высказывания префиксом «имхо». Специалисты в курсе соотношения теории и практики в данном вопросе, а обывателям, в общем-то, пофиг.
            • +5
              Вопрос в целом правильный, я, если честно, удивлён, почему его заминусовали. Учёные, а особенно инженеры, должны сомневаться во всём, а не тупо верить общепринятым сказкам.
              Приведённая в статье гифка про центр нашей галактики — это, пожалуй, главное доказательство существования чёрных дыр на сегодняшний день. Рассмотрите её внимательно.
              Последовательные наблюдения за движением 28 звёзд вокруг объекта Стрелец А* в центре нашей галактики дали очень точные ограничения на центральный объект: масса 4.3 млн солнечных, радиус не более 120 а.е. (именно на такое расстояние приближается одна из вращающихся звёзд, S0-2 на гифке). Для сравнения, орбита Нептуна — 30 а.е., радиус Солнца — 0.0047 а.е.
              Теоретически, с высоты наших сегодняшних знаний, подобная масса в таком объёме должна превратиться в чёрную дыру.
              Но, вообще говоря, пока нельзя полностью исключить возможность, что Стрелец А* представляет собой некий другой компактный объект — например, почему-то не сколлапсировавшую нейтронную звезду, или что-то более экзотическое вроде кварковой звезды. Мы просто не знаем поведение вещества при таких чудовищных давлениях. А разрешения современных телескопов не хватает, чтобы разглядеть внутреннюю структуру объекта. Особенно с учётом того, что Стрелец А* излучает подозрительно слабо для чёрной дыры такой массы (относительно аналогов в других галактиках).

              Сейчас идут наблюдения с «Радиастрона» — спутникового радиотелескопа, летающего по сложной орбите почти до Луны, работающего в связке со 100-метровым телескопом в Грин-Бэнке и массивом радиотелескопов VLBA. За счёт огромной базы надеются получить снимок Стрельца А* с разрешением порядка 300 км на пиксель (при этом надо понимать, что радиотелескопы по своей природе «снимают» по одному пикселю за раз, поэтому процесс съёмки «чуть сложнее», чем просто навести фотоаппарат и щёлкнуть затвором).

              Все очень ждут этих результатов, которые действительно могут стать тем самым «доказательством».
              • 0
                Для справки: в википедии сказано, что радиус Стрелец А* уже уточнили до <= 45 а.е.
              • 0
                На самом деле странно, что о черных дырах здесь пишет не известный специалист, а не слишком грамотный популяризатор. Есть книга Кипа Торна, Фейнмановского профессора и соавтора классического учебника по ОТО, сделавшего открытия в астрофизике — «Черные дыры и складки пространства-времени». По черным дырам там все изложено очень обстоятельно и понятно — Вы бы не задавали подобных вопросов после ее прочтения. А данная статья совершенно безграмотна, автор даже не упоминает квазары, которые считаются самыми массивными черными дырами с массой в миллиарды солнечных.
              • 0
                Скажите, наконец то, кто такой Итан? Имеется ввиду Эдвард Уиттен?
                • +1
                  • +2
                    Не только лишь все могут увидеть в плашке под переводом ссылку на оригинал.
                    Ethan Siegel — астрофизик и популяризатор науки.
                    Вот фото с его паспорта:
                    image
                  • 0
                    Господа астрофизики, вот вопросы есть, по которым беглое гугление не дает ответа.

                    1) Может ли одна черная дыра упасть в другую черную дыру?

                    2) Если может, то что с ней произойдет, и что в результате мы будем наблюдать снаружи?

                    3) Если вспомнить теорию фридмонов, по которой, грубо говоря, наши элементарные частицы могут быть на самом деле почти замкнутыми вселенными (то есть черными дырами) следующего порядка, тогда что может представлять собой взаимодействие элементарных частиц? (хм, что-то фантазия понесла не на шутку)

                    4) Если мы живем в почти замкнутой из-за гравитации вселенной, которая снаружи выглядит как черная дыра — как будет выглядеть изнутри (то есть с нашей точки зрения), если в такую вселенную прилетит другая такая же?

                    Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.