Плюються зірками, гуляють космосом та ховаються від нас. 10 найбільш цікавих досліджень чорних дір у 2022 році

Вчені вивчили не тільки еволюцію масивних зірок, оцінивши, як часто ті перетворюються на чорні діри, а й те, що відбувається до їх появи. Використовуючи різні дані про галактики — їхні розміри, елементи, з яких вони складаються, і розміри газових хмар, у яких формуються зірки — вчені побудували модель Всесвіту, яка може прогнозувати кількість і розмір нових зірок. Потім астрофізики відбирали зірки, які наприкінці свого життєвого циклу повинні перетворюватися на чорні діри

Також вчені з’ясували, що ці чорні діри становлять приблизно 1% усієї звичайної матерії у спостережуваному Всесвіті.

Перше фото надмасивної чорної діри в центрі нашої галактики

В самому центрі Чумацького шляху знаходиться надмасивна чорна діра Стрілець А*, маса якої перевищує масу Сонця приблизно в 4 млрд разів. У травні вченим з колаборації Event Horizon Telescope (EHT) вперше вдалося отримати її зображення.

Ця фотографія є першим прямим доказом того, що Стрілець А* — це дійсно чорна діра. Вчені підтвердили, що її маса приблизно в 4 мільйони разів більша за масу Сонця, що повністю узгоджується з передбаченням Ейнштейна та його Загальною теорією відносності. Додаткове моделювання показало, що чорна діра в центрі Чумацького Шляху обертається, і зараз ми дивимося на її передню частину.

Робота з «фотографування» нашої чорної діри проводилася не одне десятиліття. Вченим знадобилося 25 років, щоб розробити та вдосконалити методи, що дали можливість телескопам у всьому світі діяти як один гігантський телескоп. Для створення зображення Стрільця А* було зібрано шість терабайт даних.

Саму чорну діру побачити на фотографії технічно неможливо: вона знаходиться всередині чорної плями посеред акреційного диска з матеріалу, що світиться. Це гарячий газ, пил та плазма, які випускають радіовипромінювання — його і зуміли зафіксувати радіотелескопи вчених.

Більше про Стрілець А* та важливість цього досягнення ви можете прочитати у нашому матеріалі.

Прогулянка космосом

Блукаючі чорні діри довго були загадками для дослідників. Ми розуміли, що вони існують — нещодавно ми писали про роботу гарвардського астронома Анджело Рікарте, який разом із колегами змоделював наш Всесвіт і з’ясував, що майже 10% чорних дір у всьому космічному просторі є блукаючими.

Проте досі вчені не мали практичних доказів — усе обмежувалось моделюваннями та гіпотезами. Команда вчених під керівництвом астронома Кайлаша Саху оголосила про те, що їм нарешті вдалося знайти блукаючу чорну діру. Це відносно маленька темна діра зоряної маси, розташована приблизно за 5200 світлових років від центру нашої галактики. Через те, що вона рухається швидше оточуючих її зірок, вчені дійшли цікавого висновку про її походження.

Вони припускають, що, коли у зірки закінчилося термоядерне паливо, вона почала колапсувати нерівномірно. Через це вибух наднової, який супроводжує смерть зірки, дав їй своєрідне прискорення, через яке створена внаслідок цього чорна діра тепер подорожує Всесвітом замість того, щоб знайти собі невелику галактику і розвиватися всередині неї, поступово витягаючи матерію з навколишніх зірок.

Проте інша команда астрономів може розчарувати Саху: їх підрахунки показали, що об'єкт має масу десь між 1,5 і 4 масами Сонця — у природі не існує настільки легких чорних дір. У такому разі загадковий об'єкт може виявитися нейтронною зіркою — враховуючи те, що астрономи досі ніколи не виявляли ізольованих нейтронних зірок, знахідка все одно є революційною.

Злиття чорних дір може може підтвердити найбільше передбачення Стівена Гокінга

Влітку 2021 року вчені змогли вперше надати спостережуваний доказ теорії Стівена Гокінга про площу чорних дір. У 1971 році британський астрофізик припустив, що чорна діра, що з’явилася в результаті злиття двох менших чорних дір, може тільки набирати масу, а площа її горизонту подій буде не меншою за суму площ вихідних чорних дірок.

Ще однією теорією легендарного вченого є так зване випромінювання Гокінга. Це гіпотетичний процес випромінювання елементарних частинок з чорної діри, що передбачає підвищення її температури та зменшення маси.

Міжнародна команда вчених у своєму новому дослідженні стверджує, що зуміла зафіксувати ознаки випромінювання Гокінга. Для цього вони проаналізували одне з найпотужніших злиттів чорних дір, зафіксоване нашими детекторами.

У 2019 році обсерваторії LIGO в США та Virgo в Італії, які займаються виявленням гравітаційних хвиль зафіксували сигнал GW190521. Це було зіткнення двох чорних дір, маса яких у 66 і 85 разів перевищувала масу Сонця, внаслідок якого з’явилася нова чорна діра — тепер уже масою 142 Сонця.

Вчені проаналізували сигнал та заявили, що утворена внаслідок цього злиття чорна діра, почала випромінювати у космос частину матерії. Стверджувати це на 100% вони не можуть через те, що сучасні інструменти для аналізу ще не настільки точні, проте вони впевнені, що майбутні покращення детекторів гравітаційних хвиль допоможуть нам вловлювати та аналізувати більше подібних сигналів.

Найближча до Землі

Вчені з Університету штату Алабама виявили чорну діру на відстані близько 1550 світлових років від Землі, що вдвічі ближче за попередню рекордсменку.

Вона отримала назву Gaia BH1, а її маса приблизно в 10 разів більша за масу Сонця.

Gaia BH1 знаходиться в подвійній системі, а її сусідом є сонцеподібна зірка. Ця зірка знаходиться приблизно так само далеко від чорної діри-супутниці, як Земля від Сонця, що робить Gaia BH1 дуже особливим об'єктом.

Згідно з моделюванням, у нашій галактиці існує 100 млн чорних дірок, з яких ми виявили лише 20. Досі це відбувалося завдяки рентгенівському випромінюванню, яке з’являється в процесі «пожирання» чорною дірою зірки-команьйона. Вчені вважають, що їхнє дослідження — перше з багатьох, які будуть зроблені на основі аналізу руху зірки.

Як з’являються надмасивні чорні діри?

Надмасивні чорні діри — це чорні діри, які мають масу, що як мінімум у сотні тисяч разів перевищує масу Сонця. Фактично, це одні з найбільших астрономічних об'єктів у нашому Всесвіті.

Невеликі чорні діри зазвичай утворюються після колапсу одиночної масивної зірки — саме тому науковці називають їх чорними дірами зоряної маси. Проте вчені досі не розуміють, як саме утворюються їхні надмасивні родичі.

Існує кілька основних гіпотез щодо цього — це можуть бути численні злиття з іншими чорними дірами або дуже довга акреція матеріалу з навколишнього простору. Також можливо, що не існує якогось одного способу, а надмасивні чорні діри можуть зростати комбінованим способом.

У новому досліджені вчені знайшли підтвердження ще однієї гіпотези: надмасивні чорні діри виникають у результаті колапсу великих зірок. Проте ми зараз не знаємо жодної зірки, яка могла б утворити надмасивну чорну діру після своєї смерті.

Суперкомп’ютерне моделювання, проведене вченими з Університету ОАЕ, показало, що у ранньому Всесвіті подібні зірки могли б бути. Умови тоді дуже відрізнялися від нинішніх, тому такі зірки могли утворитися на стиках рідкісних, але потужних потоків щільного, турбулентного, холодного газу.

Дані, отримані групою під керівництвом Мухаммеда Латіфа, показали, що виникнення надмасивних чорних дір цілком може бути спонтанним. У їхній моделі показана можливість розпаду холодної хмари на кілька гігантських зірок, маса яких перевищувала масу сонця в десятки тисяч разів. У міру надходження потоків газу до хмар формується чорна діра. Цей процес може бути порівняно швидким і займати лише кілька сотень мільйонів років.

Чорна діра випльовує зірку

Ще минулого року міжнародна команда вчених побачила, як чорна діра викинула у космос матерію. Вона різко почала викидати в навколишній космос матерію, наче людина, що випльовує залишки їжі. Цікава деталь полягала в тому, що ця чорна діра вже давно нічого не поглинала.

Детальне дослідження показало, що це залишки зірки, поглиненої ще у 2018 році. «Ніхто ніколи не бачив нічого подібного раніше», — говорить Іветт Сендес, наукова співробітниця Центру астрофізики Harvard & Smithsonian і провідна авторка дослідження.

Ця подія приливної руйнації отримала назву AT2018hyz. Воно відбувається, коли зірка наближається до чорної діри настільки близько, що її починає розривати гравітацією на частини. Поступово цей зірковий матеріал починає обертатися навколо чорної діри, утворюючи акреційний диск та нагріваючись.

Зазвичай, коли чорна діра «обідає» зіркою, вона випльовує залишки майже одразу. Вчені порівнюють цей процес із відрижкою людини після їжі. Однак у цьому випадку чорна діра витримала паузу в три роки, перш ніж викинути в космос зіркові залишки зі швидкістю, що дорівнює половині швидкості світла.

Чорна діра, яка росте швидше за інші

Чорна діра SMSS J114447.77−430859.3, або просто J1144, розташована на 18 градусів вище за диск Чумацького Шляху. Саме ця чорна діра росте швидше за усі відомі людству.

Щосекунди в неї падає кількість матеріалу, еквівалентна масі Землі. Автори дослідження впевнені, що перебити рекорд J1144 неможливо, оскільки вони вивчили практично увесь доступний нам простір, де могли б ховатися подібні об'єкти.

J1144 також досить яскрава, щоб називатися квазаром. Можливо, їй навіть вдасться стати найяскравішим квазаром з усіх. І це теж збиває вчених з пантелику, оскільки в наші дні подібна активність чорних дір не зустрічається.

«Невидима» чорна діра

Здавалося б, усі чорні діри невидимі, адже на те вони й чорні, що не відбивають жодного світла. Їхня гравітація настільки потужна, що не випускає назовні жоден фотон, який міг би показати нам чорну діру. Незважаючи на те що це так, вчені спостерігають за цими об'єктами інакше — потужна гравітація не лише є їхнім маскуванням, а й видає їх місце розташування, адже воно явно впливає на об'єкти, що оточують чорну діру — наприклад, зірки.

Однак у космосі існує також велика кількість чорних дір-ізгоїв, які не взаємодіють з жодним об'єктом, оскільки поруч із ними взагалі нічого немає. Це суттєво ускладнює їхнє виявлення, а тому вчені навіть не підозрюють, скільки таких об'єктів може існувати у Всесвіті.

Британські дослідники із Відкритого університету вивчали одну з віддалених зірок та виявили короткий спалах світла, що виходив від неї. Вони не могли збагнути, чому зірка раптом збільшила світність і повернулася до звичайного стану. Тому науковці вирішили вивчити її докладніше.

Протягом шести років вони фотографували її за допомогою космічного телескопа Хаббл, щоб розрахувати напрямок її руху, а також зрозуміти, що саме спровокувало спалах.

Дослідники зрозуміли, що тут не обійшлося без ефекту гравітаційного лінзування, проте не могли пояснити, що саме стало цією «лінзою». Роки спостережень показали, що об'єкт знаходиться на відстані близько 5 тис. світлових років від Землі. Однак, якби це була зірка — навіть дуже тьмяна — ми все одно могли б її побачити.

Тому науковці дійшли висновку, що лінзою була «невидима» чорна діра. Скоріше за все вона не є активною — тобто, не поглинає матеріал, а тому не має акреційного диску. Підтвердити їх спостереження можна буде вже зовсім скоро, коли роботу розпочнуть обсерваторія Віри Рубін і космічний телескоп Nancy Grace Roman, які зможуть вивчати космос з безпрецедентною деталізацією.

Завдяки тому, що чорні діри — це надзвичайно масивні астрономічні об'єкти, їхня гравітація може зрівнятися з цілими галактиками. Якщо подібний потужний об'єкт пройде перед певним тілом, що спостерігається, гравітація спотворить випромінюваний ним світло до кільцеподібної форми — так званого кільця Ейнштейна.

Астрономи простежили, як народилася чорна діра

Досі ми жодного разу не відстежували народження нової чорної діри. Саме тому дослідження міжнародної команди астрономів, опубліковане в журналі Nature, є надважливим для наукової спільноти.

Згідно із сучасними теоріями більшість чорних дір утворюються після колапсування (тобто стиснення) ядра досить масивної зірки наприкінці її життя, коли всередині неї закінчується топливо для підтримки термоядерної реакції. Внутрішні шари зірки здаються під напором гравітації і колапсують усередину, стискаючись у надзвичайно щільний об'єкт. Цей процес супроводжується потужним вибухом — спалахом наднової.

Науковці можуть вивчати сліди наднових, які формують нейтронні зірки, проте досі вчені жодного разу не спостерігали за спалахом, внаслідок якого з’явилася б чорна діра. Головним кандидатом на сліди такого вибуху є гамма-спалахи — найяскравіші події, які ми можемо спостерігати у космосі. Це вибуховий викид енергії величезних масштабів — за кілька секунд вивільняється стільки енергії, скільки виділяється за 10 мільярдів років світіння Сонця.

Астрофізик з університету Ліверпуля Джона Мурса Деніел Перлі разом із колегами виявили незвичайний вибух у 2019 та 2021 роках. Уважно вивчивши світло, яке випромінювали ці вибухи, вчені дійшли висновку, що його джерело — зірка Вольфа-Райє. Це дуже масивні (приблизно в 10 разів масивніші за Сонце), яскраві (у мільйони разів яскравіші за Сонце) і короткоживучі зірки, які є дуже рідкісними для нашої галактики.

Саме вибух цих зірок ідеально підходить під ту модель вибуху, що має супроводжувати появу чорної діри: яскравий та надзвичайно короткий. Це може означати, що зірка під час колапсу ядра викидає назовні лише невелику кількість матеріалу, а його частина спрямовується всередину чорної діри.