Серце пітьми. Вчені відкрили революційний спосіб вивчення чорних дір - фото

Серце пітьми. Вчені відкрили революційний спосіб вивчення чорних дір

27 січня 2020, 20:00

Группа астрономов впервые исследовала «корону» черной дыры

Коротко:

— як вчені роздивилися околиці чорної діри

— що відбувається з матерією, яка наближається до чорної діри

— чому початок 2030-х буде надзвичайно важливим для дослідження Всесвіту

Відео дня

Вчені з Європи, США, Канади та Китаю детально проаналізували околиці надмасивної чорної діри. Нова технологія вимірювань дозволить визначати масу і швидкість обертання чорних дір.

О Однією з головних новин у світі науки минулого року була публікація першої в історії «фотографії» надмасивної чорної діри. Звичайно, це ніяка не фотографія, а зображення її горизонту подій — умовної лінії за зовнішніми кордонами чорної діри, після якої будь-яке світло, що потрапляє туди, назавжди зникає з нашого поля зору.

Саме через цю особливість чорних дір ми можемо бачити тільки те, що відбувається навколо них — поглинання матерії, викривлення світла, але ніяк не самі чорні діри.

Це не означає, що кілька років роботи майже 350 вчених і розшифрування близько 500 терабайт даних з восьми телескопів проекту Event Horizon Telescope минули даремно. Перше зображення горизонту подій надмасивної чорної діри в галактиці Messier 87, яка розташована приблизно в 55 млн світлових років від нас, підтвердило припущення астрофізиків про існування чорних дір в принципі, їхні властивості та природу.

Вчені з усього світу продовжують досліджувати ці загадкові об'єкти, які формують цілі галактики, і менш ніж за рік після публікації зображення горизонту подій M87 вони оновили дослідження і розглянули іншу надмассивну чорну діру ще детальніше.

NASA

Фото: NASA

Знову фото горизонту подій?



Ні. На цей раз група астрофізиків з Великої Британії, США, Канади, Китаю і декількох інших європейських країн опублікувала дослідження про «Динамічну корону чорної діри в активній галактиці за допомогою рентгенівського ревербераційного картування».

Як і більшість статей з астрофізики, ця назва спершу може відлякувати, але насправді всередині документа криється інформація про перше в своєму роді детальне дослідження околиць надмасивної чорної діри. «Піддослідна» чорна діра, яку спробували розгледіти вчені, розташована в центрі галактики IRAS 13 224−3809 у сузір'ї Центавра. Це приблизно один мільярд світлових років від Землі.

Галактика IRAS 13 224−3809 цікава тим, що вона є надзвичайно активною і її яскраве світіння в спектрі рентгенівського випромінювання дозволяють вченим вважати, що так світять не тільки скупчення зірок, але і щось набагато більш потужне.

Джерелом дуже яскравого рентгенівського випромінювання може бути надмасивна чорна діра, що розташована в центрі цієї галактики. Дослідити це можна було тільки за допомогою надпотужного рентгенівського телескопа. Якраз такий знайшовся у Європейського космічного агентства (ESA).

Більш відомий як XMM-Newton — це орбітальний телескоп рентгенівського випромінювання, який ESA запустило в кінці 1999-го. Витрачені на нього майже $700 млн євро телескоп більш ніж відпрацював: незважаючи на розрахований термін експлуатації в два роки, апарат досі справний і посилає інформацію на Землю.

З 2011-го по 2016-й телескоп збирав дані про віддалені галактики, завдяки яким вчені вперше проаналізували аккреційний диск чорної діри (видима структура, яка виникає внаслідок поглинання матерії чорною дірою) і позначили її «корону» — газові завихрення з гарячих електронів, які утворюються над аккреційним диском.

ESA
Фото: ESA

Для такого дослідження астрофізики використовували метод «ревербераційного картування», який схожий на процес ехолокації у тварин, і, на відміну від телескопів Event Horizon Telescope, дозволяє вивчати набагато віддаленіші об'єкти.

«Ревербераційне картування взагалі не залежить від просторової роздільної здатності. Замість цього він використовує світлове відлуння всередині об'єкта, щоб передати нам про дані про найбільш далекі структури», — розповіла National Geographic астроном Місті Бенц з Університету штату Джорджія. Річ у тім, що деякі з рентгенівських променів корони чорної діри вирушають прямо в космос, а деякі з них «вдаряються» об аккреційний диск і трохи затримуються перед виходом у навколишнє середовище.

Саме ця затримка і дозволяє вченим засікти і досліджувати залишки поглинутої матерії навколо чорної діри. Як виявилося, через сильне тяжіння чорної діри, об'єкти в аккреційному диску розганяються, закручуються і нагріваються до мільйона градусів Цельсія, а вихори рентгенівської корони можуть перевищувати мільярд градусів Цельсія. В таких умовах будь-який космічний об'єкт перетворюється на пил, крім корабля героя Меттью Макконахі з фільму Інтерстеллар, звісно.

Робота підтвердила, що за яскраві спалахи рентгенівського випромінювання в цій галактиці відповідає корона її чорної діри. Крім того, синхронно з яскравістю спалахів змінюється і розмір корони. Зіткнення рентгенівських вихорів з газоподібним матеріалом в аккреційному диску також дозволили дослідникам визначити, що надмасивна чорна діра IRAS 13 224−3809 важить приблизно як два мільйони Сонць.

За допомогою ревербераційного картування астрофізики планують виміряти швидкість обертання чорних дір, що дозволить дізнатися не тільки їхні фізичні параметри, а й те, як вони формувалися і розвивалися з періоду зародження Всесвіту.

«Це дослідження ясно демонструє, що майбутнє вивчення чорних дір багато в чому залежить від того, чим вони відрізняються. Це буде в центрі уваги низки нових місій, що запускаються в найближчі 10 років, які відкриють нову еру розуміння цих екзотичних об'єктів», — говорить астроном Метью Міддлтон з Університету Саутгемптона в Великобританії.

disrn.com

Фото: disrn.com

Боротьба за чорні діри


Примітно, що автори дослідження планують описати за допомогою свого методу сотні надмасивних дір і запустити для цього ще один супутник ESA в 2031-му, — якраз на цей час інша група вчених з Великої Британії запланувала випробування ще одного революційного методу вивчення чорних дір.

Як уже писало НВ, представники Університету Бірмінгема заявили, що вони збираються вперше ретельно дослідити зіткнення чорних дір відразу за допомогою декількох вимірювальних пристроїв, — рентгенівського випромінювання й інтерферометрії.

На початок 2030-х вищезазначене ESA і американська NASA запланували старт місій Athena та LISA, в рамках яких у космос відправлять найважливіші орбітальні обсерваторії. Athena передбачає аналіз космічного простору і пошук надмасивних чорних за допомогою надчутливого 12-метрового телескопа рентгенівського діапазону. LISA, в свою чергу, — це лазерний інтерферометр для вивчення гравітаційних хвиль.

Британські астрофізики вважають, що об'єднання даних з цих двох телескопів дозволить нам на зовсім новому рівні вивчити взаємодію галактик, процес збільшення надмасивних чорних дір і дізнатися, яку роль відіграє газоподібна матерія навколо них.

«Перспективи одночасного спостереження за цими об'єктами досі не досліджені та вони можуть призвести до величезних успіхів. Це обіцяє бути революцією в нашому розумінні надмасивних чорних дір і того, як вони розвиваються в галактиках», — говорив керівник дослідження доктор Шон МакГі.

На відміну від своїх колег, які досліджують чорні діри за допомогою ревербераційного картування, вчені з Бірмінгема планують вивчити всього близько 10 зіткнень надмасивних чорних дір, які важать від 100 тис. до 10 млн разів більше, ніж наше Сонце. Об'єкти, які вони обрали, видають достатньо сильні сигнали для того, щоб їх засікли обсерваторії LISA і Athena.

З огляду на те, що вченим поки мало відома природа появи і розвитку чорних дір, на даний момент неможливо точно спрогнозувати, які дані ми отримаємо після спостережень. Крім зіткнень чорних дір у віддалених галактиках, астрофізики можуть дізнатися, як найважчі чорні діри поглинають нейтронні зірки й інші чорні діри.

Поки телескоп Athena планують запустити в 2031-му, але робота над цим проектом ведеться з 2014-го, ну а спільну місію LISA повинні почати не раніше 2034-го.

eROSITA

Фото: eROSITA

Російсько-німецька лепта


Незважаючи на не найкращий стан справ у російській космічній корпорації Роскосмос (особливо на тлі успіхів SpaceX Сrew Dragon), вчені з РФ можуть допомогти астрофізикам з ESA, NASA та інших організацій, адже влітку минулого року вони отримали в своє розпорядження унікальне науково-дослідне обладнання.

У липні 2019-го з космодрому Байконур в Казахстані стартувала ракета-носій Протон-М з найважливішим для науки обладнанням на борту — обсерваторією Спектр-РГ, яку розробляли ще з 1980-х. То через брак коштів, то через інші дослідження, проект постійно відкладали, але півроку тому, нарешті, настав час «Спектра». Обсерваторія включає російський супутник, основний німецький телескоп (EROSITA) і допоміжний російський телескоп (ART-XC).

Повідомлялося, що аналогічної техніки для глибокого аналізу віддалених космічних об'єктів немає у будь-якої іншої країни: eROSITA і ART-XC у складі Спектра-РГ складатимуть детальну карту Всесвіту в рентгенівському діапазоні.

Через кілька місяців після запуску, в жовтні 2019-го, Спектр-РГ вийшов на свою орбіту: апарат розмістили в точці Лагранжа L2 системи Сонце — Земля на відстані приблизно в 1,5 млн км від Землі. Обсерваторію довелося відправляти так далеко, оскільки на нашій планеті спектри рентгенівського випромінювання поглинаються атмосферою.

STScI / JHU / NASA
Фото: STScI / JHU / NASA

Рентгенівська обсерваторія повинна пропрацювати наступні 6,5 років, — 4 роки в режимі сканування неба і 2,5 роки в режимі спостережень за окремими об'єктами). За цей час вчені повинні отримати комплексну інформацію про розвиток Всесвіту, включаючи нові дані про спостереження за раніше невідомими скупченнями галактик, нейтронними зірками, і, звичайно, чорними дірами.

«Це обсерваторія світового рівня. У своєму класі вона виконує ось цю вимогу — бути в десять разів кращою за попереднє у світі. Був німецький супутник, який робив огляд неба в 1990-е, і відтоді нічого подібного не було», — розповів в інтерв'ю Meduza астрофізик Сергій Попов.

Дані з телескопа ART-XC будуть повністю належати Інституту космічних досліджень РАН, але от більш важливі спостереження просунутого телескопа eROSITA російським вченим доведеться порівну розділити з колегами з німецького Інституту позаземної фізики імені Макса Планка.

Перед запуском Спектра-РГ заступник директора Інституту космічних досліджень РАН Михайло Павлинський заявив, що за допомогою цієї обсерваторії вони планують виявити кілька мільйонів надмасивних чорних дір.

Перші дані з телескопа eROSITA дозволили виявити приховані зірки в Чумацькому Шляху і зміни в наднової, яка вибухнула понад 30 років тому. Ймовірно, вже незабаром від російських і німецьких вчених варто очікувати гучні дослідження чорних дір.

Хоча, їм потрібно буде дуже сильно постаратися, щоб обігнати астрофізиків із США, які за останні кілька років за допомогою свого інтерферометра LIGO набагато більше просунулися у вивченні чорних дір, отримали Нобелівську премію за виявлення гравітаційних хвиль і, як би там не було, першими опублікували зображення горизонту подій.

Приєднуйтесь до нас у соцмережах Facebook, Telegram та Instagram.

Діліться матеріалом




Радіо НВ
X