Заглянути в невідомість. Вчені запропонували революційний метод спостереження за чорними дірами - фото

Заглянути в невідомість. Вчені запропонували революційний метод спостереження за чорними дірами

19 січня 2020, 07:02

Астрофізики з Великої Британії опублікували дослідження про те, як можна засікти наймасштабнішу подію у Всесвіті - зіткнення чорних дір.

Коротко:

— що таке злиття чорних дір і як його засікти

— чому вчені досі не бачили чорні діри

— як спостереження за зіткненнями галактик змінять наше розуміння Всесвіту

Відео дня

Чорні діри називаються чорними бо їх неможливо побачити. Але вчені з Англії придумали спосіб, який дозволить нам вивчити, ймовірно, найзагадковіші об'єкти у Всесвіті.

З авдяки загальнійтеорії відносності Альберта Ейнштейна нам відомо, що навіть лежачи на дивані зі смартфоном і читаючи цей текст ми все одно рухаємося з величезною швидкістю, оскільки будь-який об'єкт в космосі обертається навколо важчого об'єкта.

Так само як Місяць обертається навколо Землі, так і Земля обертається навколо Сонця, не кажучи вже про осьове обертання нашої планети. Логічно було б припустити, що Сонце обертається навколо іншої важкої зірки.

Але, орбіту Сонця визначає інший набагато важчий об'єкт — галактичний центр. Вчені припускають, що в центрі Чумацького шляху розташована надмасивна чорна діра Стрілець А*, повний оборот навколо якої Сонце робить приблизно за 225−250 млн років.

На цьому рух у Всесвіті не закінчується, адже передбачувані чорні діри і, відповідно, галактики також взаємодіють одне з одним. Тому, ймовірно, наймасштабнішою космічною подією є зіткнення чорних дір.

Астрофізики стали предметно говорити про зіткнення чорних дір тільки останні кілька років, завдяки виявленню змін гравітаційного поля, відомих як гравітаційні хвилі.

Днями вчені з Великої Британії опублікували дослідження, згідно з яким у найближчому майбутньому ми зможемо набагато детальніше вивчати чорні діри і їх взаємодію.

ge.com

Фото: ge.com

Що запропонували астрофізики?


Представники Університету Бірмінгема заявили, що вони придумали новий метод, який дозволить нам побачити зіткнення чорних дір відразу за допомогою декількох вимірювальних пристроїв. Для цього вчені планують використовувати рентгенівське випромінювання та інтерферометрію.

Правда, це відбудеться не раніше 2030-го, — саме на цей період Європейське космічне агентство (ESA) запланувало старт місій Athena та LISA, в межах 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 спільний проект ESA і NASA, в межах якого астрономи збираються аналізувати гравітаційні хвилі за допомогою лазерної інтерферометрії.

У Бірмінгемі вважають, що об'єднання цих двох методик дозволить нам на абсолютно новому рівні вивчити взаємодію галактик, процес збільшення надмасивних чорних дір і дізнатися, яку роль відіграють гази навколо цих чорних дір.

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

Серед авторів роботи також є вчені, які працювали над проектом LISA протягом 12 років, і, за їхніми словами, можливість об'єднання цього лазерного інтерферометра з найпотужнішим рентгенівським телескопом обіцяє справжні відкриття у астрофізиці.

Дослідники планують вивчити як мінімум 10 зіткнень надмасивних чорних дір, які важать від 100 тис. до 10 млн разів більше, ніж наше Сонце. Об'єкти, які вони вибрали, видають доволі сильні сигнали для того, щоб їх засікли обсерваторії LISA і Athena.

Враховуючи те, що вченим мало відома природа появи і розвитку чорних дір, зараз 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 і інші чорні діри.

Поки телескоп Athena планують запустити в 2031-му, а робота над цим проектом ведеться з 2014-го. Ракета-носій з 5-тонним рентгенівським телескопом на борту повинна буде стартувати з космодрому Куру у французькій Гвіані, на якому за останні 10 років відбулося всього кілька запусків.

Спільну місію LISA повинні почати не раніше 2034-го.

Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine.

Фото: Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine.

Про які зіткненнях чорних дір ми вже знаємо?


Поки вчені з Великої Британії тільки планують засікти взаємодію віддалених галактик, які, потенційно, могли б пояснити нам як розвивався Всесвіт, інші астрофізики вже не раз заявляли про те, що бачили зіткнення чорних дір.

Зокрема, в квітні 2019-го вчені, які аналізують дані з лазерно-інтерферометричної обсерваторії LIGO в США повідомили про виявлення гравітаційних хвиль від злиття двох важких об'єктів.

Вчені вирішили, що це було зіткнення нейтронних зірок, але нейтронні зірки — це, як правило, дуже щільні космічні об'єкти, діаметр яких становить від 10 до 20 км, а маса приблизно дорівнює масі Сонця. Маса ж виявлених об'єктів зіткнення перевищувала сонячну більш ніж в три рази, тому, можливо, астрофізики з LIGO вперше в історії спостережень засікли злиття первинних чорних дір.

Ці гіпотетичні об'єкти раніше ніхто не спостерігав, і їх основна відмінність від звичайних чорних дір в тому, що вони утворюються не через гравітаційний колапс великих зірок, а через наявність надщільного матерії в період зародження Всесвіту. Деякі вчені також вважають, що первинні чорні діри можуть виконувати функції загадкової темної матерії, яка повинна відповідати за приховану масу Всесвіту і високу швидкість обертання віддалених галактик.

Більш революційне відкриття вчені з обсерваторії LIGO зробили у 2015-му, коли вони засікли зіткнення двох чорних дір на відстані приблизно в один мільярд світлових років від нас. Це було першим прямим доказом існування гравітаційних хвиль, також відомих як «брижі простору-часу», які понад 100 років тому передбачив Альберт Ейнштейн.

R. Hurt / Caltech-JPL
Фото: R. Hurt / Caltech-JPL

Пізніше дослідники обсерваторії LIGO Райнер Вайс, Баррі Бариш та Кіп Торн (чия книга лягла в основу фільму Інтерстеллар) отримали за своє відкриття Нобелівську премію з фізики.

«Досі вчені бачили викривлений простір-час тільки у спокійному стані. Наче ми бачили поверхню океану тільки в спокійний день, але ніколи не бачили шторм. Зіткнення чорних дір створило шторм, в якому плин часу прискорився, потім сповільнилився, а потім знову прискорився», — говорив тоді доктор астрофізики з США Кіп Торн.

В цілому, інтерферометр LIGO фіксував відносно багато подібних гравітаційних хвиль, але не всі з них можна вважати результатом зіткнення чорних дір, — багато з виявлених об'єктів перебувають в «масовому проміжку» між нейтронними зірками і чорними дірами. І ті й інші (крім описаних вище первинних чорних) є дуже щільними і важкими залишками мертвих зірок.

У вересні 2019-го вчені з Університету Вірджинія заявили, що вони виявили три галактики на відстані приблизно в мільярд світлових років від нас, які незабаром можуть зіткнутися. Відстані між надмасивними чорними дірами, які розташовані в центрі кожної з цих галактик, коливались в діапазоні від 10 тис. до 30 тис. світлових років, що надзвичайно мало для таких важких об'єктів.

Якщо нам вдасться засікти, як ці три чорні діри зіштовхнуться — астрофізики зможуть заявити про першу у своєму роді подію в історії космічних спостережень. Але, проблема в тому, що телескоп LIGO не може виявити злиття надмасивних чорних дір, оскільки його частота налаштована на аналіз об'єктів з набагато меншою масою. Тому для спостережень за зближенням трьох галактик вченим доведеться використовувати рентгенівські і спектроскопічні телескопи.

EHT

Фото: EHT

Чи бачили ми чорні діри взагалі?


Як зазначено вище, чорні діри неможливо побачити, оскільки вони поглинають будь-які види електромагнітного випромінювання, і про зіткнення чорних дір глибоко у Всесвіті ми знаємо тільки завдяки гравітаційним хвилям.

Але у квітні минулого року ЗМІ у всьому світі рясніли заголовками про першу в історії фотографію чорної діри. Насправді вчені отримали зображення тільки її обрисів — так званого горизонту подій, що все одно стало величезним науковим відкриттям.

Прорив стався завдяки роботі восьми телескопів проекту Event Horizon Telescope (EHT) або «Горизонт подій», які останні кілька років досліджували найближчі до Землі чорні діри. Вчені аналізували дані про спостереження за надмасивною чорною дірою в галактиці M87 і «нашою» Стрілець А*, яка розташована центрі Чумацького шляху. Відстань до цих чорних дірок становить приблизно 55 млн і 26 тис. світлових років відповідно.

Після розшифровки близько 500 терабайт даних вчені опублікували фото відображення горизонту подій чорної діри у центрі галактики Messier 87 в сузір'ї Діви. Горизонт подій — це умовна лінія за зовнішніми кордонами чорної діри, після якої будь-яке світло, що потрапляє туди, назавжди зникає з нашого поля зору.

«Сфотографувати тінь, яку відкидає горизонт подій чорної діри — це все одно, що сфотографувати DVD-диск на поверхні Місяця з Землі» — говорив астрофізик з Університету Арізони Дімітріос Псалтіс. Відображення горизонту подій демонструє викривлене світло і все навколишнє середовище, яке поглинає чорна діра, створюючи «шторм» у просторі-часі, про що й говорив Кіп Торн.

Через кілька місяців після публікації зображення, 347 астрономів з Event Horizon Telescope отримали $3 млн за своє відкриття в межах премії Breakthrough Prize. Кожному вченому дісталося $8,6 тис.

Попри перше в історії зображення горизонту подій і дані про зіткнення чорних дір, сьогодні існують тільки гіпотези про природу формування і характеристики цих об'єктів, оскільки наблизитися до будь-якої з чорних дір практично неможливо. «Для мене велике питання, чи зможемо ми коли-небудь подолати цю межу. Можливо, ні. Це засмучує, але ми повинні прийняти це», — говорив голова наукової ради проекту EHT Хейно Фальке.

Приєднуйтесь до нас у соцмережах Facebook, Telegram та Instagram.

Діліться матеріалом




Радіо НВ
X