Плюются звездами, гуляют по космосу и прячутся от нас. 10 наиболее интересных исследований черных дыр в 2022 году

Ученые изучили не только эволюцию массивных звезд, оценив, как часто те превращаются в черные дыры, но и происходящее до их появления. Используя разные данные о галактиках — их размерах, элементах, из которых они состоят, и размеры газовых облаков, в которых формируются звезды, ученые построили модель Вселенной, которая может прогнозировать количество и размер новых звезд. Затем астрофизики отбирали звезды, которые в конце своего жизненного цикла должны превращаться в черные дыры.

Также ученые выяснили, что эти черные дыры составляют примерно 1% всей обычной материи в наблюдаемой Вселенной.

Первое фото сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики

В самом центре Млечного пути находится сверхмассивная черная дыра Стрелец А*, масса которой превышает массу Солнца примерно в 4 млрд раз. В мае ученым по коллаборации Event Horizon Telescope (EHT) впервые удалось получить ее изображение.

Эта фотография является первым прямым доказательством того, что Стрелец А* — это действительно черная дыра. Ученые подтвердили, что ее масса примерно в 4 миллиона раз больше массы Солнца, что полностью согласуется с предсказанием Эйнштейна и его Общей теорией относительности. Дополнительное моделирование показало, что черная дыра в центре Млечного Пути вращается, и сейчас мы смотрим на ее переднюю часть.

Работа по «фотографированию» нашей черной дыры проводилась не одно десятилетие. Ученым понадобилось 25 лет, чтобы разработать и усовершенствовать методы, позволяющие телескопам во всем мире действовать как один гигантский телескоп. Для создания изображения Стрельца А* было собрано шесть терабайт данных.

Саму черную дыру увидеть на фотографии технически невозможно: она находится внутри черного пятна посреди аккреционного диска из светящегося материала. Это горячий газ, пыль и плазма, испускающие радиоизлучение — его и смогли зафиксировать радиотелескопы ученых.

Более подробно о Стрельце А* и важности этого достижения вы можете прочитать в нашем материале.

Прогулка по космосу

Блуждающие черные дыры долго были загадками для исследователей. Мы понимали, что они существуют — недавно мы писали о работе гарвардского астронома Анджело Рикарте, который вместе с коллегами смоделировал нашу Вселенную и выяснил, что почти 10% черных дыр во всем космическом пространстве блуждающие.

Однако до сих пор у ученых не было практических доказательств — все ограничивалось моделированием и гипотезами. Команда ученых под руководством астронома Кайлаша Саху объявила о том, что им наконец-то удалось найти блуждающую черную дыру. Это относительно маленькая темная дыра звездной массы, расположенная примерно в 5200 световых годах от центра нашей галактики. Из-за того, что она двигается быстрее окружающих ее звезд, ученые пришли к интересному выводу о ее происхождении.

Они предполагают, что когда у звезды закончилось термоядерное топливо, она начала коллапсировать неравномерно. Поэтому взрыв сверхновой, сопровождающий смерть звезды, дал ей своеобразное ускорение, из-за которого созданная вследствие этого черная дыра теперь путешествует по Вселенной вместо того, чтобы найти себе небольшую галактику и развиваться внутри нее, постепенно извлекая материю из окрестных звезд.

Однако другая команда астрономов может разочаровать Саху: их подсчеты показали, что объект имеет массу где-то между 1,5 и 4 массами Солнца — в природе нет таких легких черных дыр. В таком случае загадочный объект может оказаться нейтронной звездой — учитывая, что астрономы до сих пор никогда не обнаруживали изолированных нейтронных звезд, находка все равно революционная.

Слияние черных дыр может подтвердить наибольшее предсказание Стивена Хокинга

Летом 2021 года ученые смогли впервые предоставить наблюдаемое доказательство теории Стивена Гокинга о площади черных дыр. В 1971 году британский астрофизик предположил, что черная дыра, появившаяся в результате слияния двух меньших черных дыр, может только набирать массу, а площадь ее горизонта событий будет не меньше суммы площадей исходных черных дыр.

Еще одной теорией легендарного ученого является так называемое излучение Хокинга. Это гипотетический процесс излучения элементарных частиц из черной дыры, что предполагает повышение ее температуры и уменьшение массы.

Международная команда ученых в своем новом исследовании утверждает, что сумела зафиксировать признаки излучения Хокинга. Для этого они проанализировали одно из самых мощных слияний черных дыр, зафиксированное нашими детекторами.

В 2019 году обсерватории LIGO в США и Virgo в Италии, занимающиеся обнаружением гравитационных волн, зафиксировали сигнал GW190521. Это было столкновение двух черных дыр, масса которых в 66 и 85 раз превышала массу Солнца, в результате которого появилась новая черная дыра — теперь уже массой 142 Солнца.

Ученые проанализировали сигнал и заявили, что образовавшаяся в результате этого слияния черная дыра начала излучать в космос часть материи. Утверждать это на 100% они не могут потому, что современные инструменты для анализа еще не столь точны, однако они уверены, что будущие улучшения детекторов гравитационных волн помогут нам улавливать и анализировать больше подобных сигналов.

Ближайшая к Земле

Ученые из Университета штата Алабама обнаружили черную дыру на расстоянии около 1550 световых лет от Земли, что вдвое ближе предыдущей рекордсменки.

Она получила название Gaia BH1, а ее масса примерно в 10 раз больше массы Солнца.

Gaia BH1 находится в двойной системе, а ее соседом является солнцевидная звезда. Эта звезда находится примерно так же далеко от черной дыры-спутницы, как Земля от Солнца, что делает Gaia BH1 очень особенным объектом.

Согласно моделированию, в нашей галактике существует 100 млн черных дыр, из которых мы обнаружили всего 20. До сих пор это происходило благодаря рентгеновскому излучению, которое появляется в процессе «пожирания» черной дырой звезды-команьона. Ученые считают, что их исследование — первое из многих, которые будут сделаны на основе анализа движения звезды.

Как появляются сверхмассивные черные дыры?

Сверхмассивные черные дыры — это черные дыры, имеющие массу, как минимум в сотни тысяч раз превышающую массу Солнца. Фактически это одни из крупнейших астрономических объектов в нашей Вселенной.

Небольшие черные дыры обычно образуются после коллапса одиночной массивной звезды — именно поэтому ученые называют их черными дырами звездной массы. Однако ученые до сих пор не понимают, как образуются их сверхмассивные родственники.

Существует несколько основных гипотез по этому поводу — это могут быть многочисленные слияния с другими черными дырами или очень длинная аккреция материала из окружающего пространства. Также возможно, что не существует какого-либо одного способа, а сверхмассивные чёрные дыры могут расти комбинированным способом.

В новом исследовании ученые нашли подтверждение еще одной гипотезы: сверхмассивные черные дыры возникают в результате коллапса больших звезд. Однако мы сейчас не знаем ни одной звезды, которая могла бы образовать сверхмассивную черную дыру после своей смерти.

Суперкомпьютерное моделирование, проведенное учеными из Университета ОАЭ, показало, что в ранней Вселенной подобные звезды могли быть. Условия тогда очень отличались от нынешних, потому такие звезды могли образоваться на стыках редких, но мощных потоков плотного, турбулентного, холодного газа.

Данные, полученные группой под руководством Мухаммеда Латифа, показали, что возникновение сверхмассивных черных дыр вполне может оказаться спонтанным. В их модели показана возможность распада холодного облака на несколько гигантских звезд, масса которых превышала массу солнца в десятки тысяч раз. По мере поступления потоков газа в облака формируется черная дыра. Этот процесс может быть сравнительно быстрым и занимать всего несколько сотен миллионов лет.

Черная дыра выплевывает звезду

Еще в прошлом году международная команда ученых увидела, как черная дыра выбросила в космос материю. Она резко начала выбрасывать в окружающий космос материю, как человек, выплевывающий остатки пищи. Интересная деталь заключалась в том, что эта чёрная дыра уже давно ничего не поглощала.

Подробное исследование показало, что это остатки звезды, поглощенной еще в 2018 году. «Никто никогда не видел ничего подобного раньше», — говорит Иветт Сендес, научная сотрудница Центра астрофизики Harvard & Smithsonian и ведущий автор исследования.

Это событие приливного разрушения получило название AT2018hyz. Оно происходит, когда звезда приближается к черной дыре настолько близко, что ее начинает разрывать гравитацией на части. Равномерно этот звездный материал начинает вращаться вокруг черной дыры, образуя аккреционный диск и нагреваясь.

Обычно когда черная дыра «обедает» звездой, она выплевывает остатки почти сразу. Ученые сравнивают этот процесс с отрыжкой человека после еды. Однако в этом случае черная дыра выдержала паузу в три года, прежде чем выбросить в космос звездные остатки со скоростью, равной половине скорости света.

Черная дыра, которая растет быстрее других

Черная дыра SMSS J114447.77−430859.3, или просто J1144, расположена на 18 градусов выше диска Млечного Пути. Именно эта черная дыра растет быстрее всех известных человечеству.

Ежесекундно в нее падает количество материала, эквивалентное массе Земли. Авторы исследования уверены, что перебить рекорд J1144 невозможно, поскольку они изучили практически все доступное нам пространство, где могли бы скрываться подобные объекты.

J1144 также достаточно яркая, чтобы называться квазаром. Возможно, ей даже удастся стать самым ярким квазаром из всех. И это тоже сбивает ученых с толку, поскольку в наши дни подобная активность черных дыр не встречается.

«Невидимая» черная дыра

Казалось бы, все черные дыры невидимы, ведь на то они и черные, не отражающие никакого света. Их гравитация настолько мощная, что не выпускает наружу ни один фотон, который мог бы показать нам черную дыру. Несмотря на то, что это так, ученые наблюдают за этими объектами иначе — мощная гравитация не только является их маскировкой, но и выдает их местоположение, ведь она явно влияет на объекты, окружающие черную дыру — например, звезды.

Однако в космосе существует также большое количество черных дыр-изгоев, не взаимодействующих ни с одним объектом, поскольку рядом с ними вообще ничего нет. Это существенно затрудняет их обнаружение, поэтому ученые даже не подозревают, сколько таких объектов может существовать во Вселенной.

Британские исследователи из Открытого университета изучали одну из отдаленных звезд и обнаружили короткую вспышку исходящего от нее света. Они не могли понять, почему звезда вдруг увеличила светимость и вернулась в обычное состояние. Поэтому учёные решили изучить ее подробнее.

В течение шести лет они фотографировали ее с помощью космического телескопа Хаббл, чтобы рассчитать направление ее движения, а также понять, что именно спровоцировало вспышку.

Исследователи поняли, что здесь не обошлось без эффекта гравитационного линзирования, однако не могли объяснить, что именно стало этой линзой. Годы наблюдений показали, что объект находится на расстоянии около 5 тыс. световых лет от Земли. Однако, если бы это была звезда — даже очень тусклая — мы все равно могли бы ее увидеть.

Поэтому ученые пришли к выводу, что линзой была «невидимая» чёрная дыра. Скорее всего, она не активна — то есть не поглощает материал, а потому не имеет аккреционного диска. Подтвердить их наблюдение можно будет совсем скоро, когда работу начнут обсерватория Веры Рубин и космический телескоп Nancy Grace Roman, которые смогут изучать космос с беспрецедентной детализацией.

Благодаря тому, что черные дыры — это очень массивные астрономические объекты, их гравитация может сравниться с целыми галактиками. Если подобный мощный объект пройдет перед определенным наблюдаемым телом, гравитация исказит излучаемый им свет до кольцеобразной формы — так называемого кольца Эйнштейна.

Астрономы проследили, как родилась черная дыра

До сих пор мы ни разу не отслеживали рождение новой черной дыры. Именно поэтому исследование международной команды астрономов, опубликованное в журнале Nature, является важным для научного сообщества.

Согласно современным теориям большинство черных дыр образуются после коллапсирования (т.е. сжатия) ядра достаточно массивной звезды в конце ее жизни, когда внутри нее заканчивается топливо для поддержания термоядерной реакции. Внутренние слои звезды сдаются под напором гравитации и коллапсируют внутрь, сжимаясь в очень плотный объект. Этот процесс сопровождается мощным взрывом — вспышкой сверхновой.

Ученые могут изучать следы сверхновых, которые формируют нейтронные звезды, однако до сих пор ученые ни разу не наблюдали за вспышкой, в результате которой появилась бы черная дыра. Главным кандидатом на следы такого взрыва есть гамма-вспышки — самые яркие события, которые мы можем наблюдать в космосе. Это взрывной выброс энергии огромных масштабов — через несколько секунд высвобождается столько энергии, сколько выделяется за 10 миллиардов лет свечения Солнца.

Астрофизик из Ливерпульского университета Джона Мурса Дэниел Перли вместе с коллегами обнаружили необычный взрыв в 2019 и 2021 годах. Внимательно изучив свет, излучаемый этими взрывами, ученые пришли к выводу, что его источник — звезда Вольфа-Райе. Это очень массивные (примерно в 10 раз массивнее Солнца), яркие (в миллионы раз ярче Солнца) и короткоживущие звезды, которые очень редки для нашей галактики.

Именно взрыв этих звезд идеально подходит под модель взрыва, которая должна сопровождать появление черной дыры: яркий и чрезвычайно короткий. Это может означать, что звезда при коллапсе ядра выбрасывает наружу лишь небольшое количество материала, а его часть устремляется внутрь черной дыры.