Ведуть до інших Всесвітів, врізаються один в одного і ламають фізику. 14 найцікавіших досліджень про чорні діри у 2021

22 грудня 2021, 20:03
НВ Преміум
Завдяки новим технологіям вчені можуть розкривати все більше секретів, які таять у собі одні із найзагадковіших астрономічних об'єктів. (Фото:NASA / Daniel Rutter)

Завдяки новим технологіям вчені можуть розкривати все більше секретів, які таять у собі одні із найзагадковіших астрономічних об'єктів. (Фото:NASA / Daniel Rutter)

Рік, що минає, подарував нам безліч нових знань про найцікавіші астрономічні об'єкти у Всесвіті.

Чорні діри й досі залишаються великою загадкою для вчених. Астрономічні об'єкти з найсильнішим гравітаційним тяжінням, яке затягує всередину буквально все, навіть світло. Усередині чорних дір існує щось, що ламає всі відомі нам закони фізики — сингулярність, а тому їхнє дослідження є дуже важливим із погляду майбутнього науки.

Відео дня

У 2021 році вчені продовжували активно вивчати чорні діри, тим більше, що технології не стоять на місці і постійно розвиваються, допомагаючи їм розкривати все більше таємниць цих об'єктів. НВ активно висвітлював ці дослідження, і тепер ми вирішили зібрати найцікавіші з них в одному матеріалі.

Ми були впевнені, що повністю вивчили першу виявлену чорну діру. Нові дослідження говорять, що ми помилялися

Лебідь Х-1 була виявлена в 1964 році, а через 10 років стала предметом суперечки між астрофізиками Стівеном Гокінгом і Кіпом Торном: перший ставив на те, що Лебідь X-1 не є чорною дірою, і в 1990 визнав свою поразку, коли були отримані нові дані спостережень.

У результаті Лебідь Х-1 став однією з найбільш вивчених чорних дір у небі: вважалося, що об'єкт знаходиться на відстані близько 6070 світлових років від Землі, маса чорної діри в 14,8 більша за масу Сонця, а поряд з нею знаходиться синій надгігант HDE 226868 розміром 24 сонячних маси.

Як виявилося, весь цей час учені помилялися — нові дослідження показали цікаві подробиці про найпершу виявлену чорну діру.

Читати повністю

Астрофізики знайшли новий вид чорних дір, а також найлегшу нейтронну зірку. Як їм це вдалося?

Гравітаційні хвилі — чи не найкраще джерело знань про чорні діри, яке з’явилося в розпорядженні вчених зовсім недавно. Це брижі у тканині простору-часу, спровоковані найпотужнішими космологічними подіями на зразок злиття чорних дір або поглинання зірок. Найпотужніша гравітаційна взаємодія запускає «вібрацію», що проходить крізь увесь простір-час. Фіксуючи гравітаційні хвилі, дослідники можуть за їхньою формою та частотою визначати, які саме об'єкти брали участь в «аварії», їхню масу, а також відстань від Землі.

Їхнє існування було передбачено понад 100 років тому Альбертом Ейнштейном, проте вперше зафіксувати їх удалося лише у 2015 році.

У 2021 році вчені випустили найбільший на сьогодні каталог виявлених гравітаційних хвиль — за весь час спостережень кількість їх виявлень наблизилась до сотні. Більшість із них — сліди злиття чорних дір, проте були й інші цікаві події на кшталт поглинання чорною дірою нейтронної зірки (про дослідження цієї події ми також розповімо трохи пізніше).

Учені мають чотири детектори гравітаційних хвиль — два, що належать Лазерно-інтерферометричній гравітаційно-хвильовій обсерваторії (LIGO) у США, один — обсерваторії Virgo в італійській Пізі та ще один — детектор KAGRA у Японії.

Прямо зараз LIGO та Virgo не працюють і проходять серйозну модернізацію. Почати роботу вони зможуть орієнтовно в середині-кінці 2022 року, і з новою технікою вони виявлятимуть більше злиттів. А приблизно у 2034 році буде запущено космічний детектор гравітаційних хвиль LISA, який розширить наші «гравітаційні очі» і допоможе нам розкрити ще більше таємниць Всесвіту.

Читати повністю

Страшний космічний сусід. Вчені виявили загадкову чорну діру, якої не може бути

Досі ми спостерігали лише два види чорних дір — зоряної маси та надмасивні. І якщо невеликі чорні діри зазвичай утворюються після колапсу одиночної масивної зірки, то як з’являються надмасивні, у нас досі немає точної відповіді. Це можуть бути численні злиття з іншими чорними дірами, можливо аккреція матеріалу з навколишнього простору — також цілком можливо, що є не один шлях зростання цих астрономічних об'єктів. Так чи інакше, науковці досі не мають однозначної відповіді.

Можливим ключем до загадки може бути чорна діра проміжної (середньої) маси. Проблема в тому, що дослідники ще жодного разу не натикалися на них або не знають про те, що якась із відомих нам чорних дір є саме такою.

Наразі у нас немає жодного офіційного виявлення середньої чорної діри. Проте 2021-й порадував одразу кількома перспективними дослідженнями у цьому полі.

Ми писали про те, що вчені, можливо, зафіксували одну з них, а також помітили зіткнення двох чорних дір зоряної маси, яка сформувала чорну діру проміжної маси. Проте досі їх дослідження були підтверджені.

Проте останнє дослідження було опубліковано міжнародною групою астрономів на чолі з Ренукою Печетті з Ліверпульського університету Джона Мура — вони припустили, що цей рідкісний космічний звір може бути буквально по сусідству з нами — у галактиці Андромеди.

Читати повністю

Зіткнення чорних дір можуть вирішити одну з головних загадок космології — зрозуміти швидкість розширення Всесвіту

Нещодавно ми написали велику статтю, присвячену проблемі, яку вчені вже охрестили «кризою космології, що насувається», — неможливості точно визначити швидкість розширення Всесвіту.

Ключовим компонентом для розрахунків є постійна Габбла, підрахувати точне значення якої поки що не вдалося нікому. Існує велика кількість різних методів визначення цього показника, серед яких виділяють два основні: моделювання реліктового випромінювання, яке також називають космологічним мікрохвильовим фоном — теплового випромінювання, що з’явилося приблизно через 380 тис. років після Великого вибуху і яке тепер рівномірно заповнює весь Всесвіт — і підрахунок відстані до найближчих зірок, аби через деякий час простежити, наскільки вони відійшли від нашої планети.

Проблема виникає, коли спробуєте порівняти отримані результати — вони не збігаються. Тому вчені перебувають у пошуках альтернативних методів для визначення постійної Габбла — і тут на допомогу нам може прийти зіткнення чорних дір і гравітаційні хвилі, що виникають унаслідок цих подій.

Читати повністю

Пророцтво Стівена Гокінга про чорні діри нарешті збулося

Майже через півстоліття вченим вдалося на практиці довести теорію Стівена Гокінга, який припустив, що чорна діра може лише набирати масу, а площа її горизонту подій лише збільшується.

Проблемою Гокінга було те, що у 1970-х у вчених не було технологій, які могли б їм дозволити спостерігати та вивчати чорні діри, і, як наслідок, довести припущення британського астрофізика.

Фізик із Массачусетського технологічного інституту Максиміліано Ісі разом зі своїми колегами кілька років аналізував гравітаційні хвилі й нарешті зумів підтвердити теорію Гокінга.

Багато вчених упевнені — будь Гокінг живий зараз, він, напевно, претендував би на отримання Нобелівської премії. Проте історія повернулася таким чином, що один із найвідоміших дослідників так і не став нобелівським лауреатом, адже цю нагороду не вручають посмертно.

Читати повністю

Чорні діри ведуть до інших Всесвітів

Одна з найнезвичайніших теорій, про які ми писали цього року. У ній переплітаються класична та квантова фізика у вигляді теорії суперструн, яку команда вчених з Канади та Швейцарії використовувала не тільки для пояснення походження нашого Всесвіту, але й щоб уявити існування нескінченної кількості паралельних світів.

«Ми показуємо, що S-брана, яка виникає в горизонті чорної діри, коли кривизна Вейля досягає масштабу струни, викликає безперервний перехід між внутрішньою частиною чорної діри та початком нового Всесвіту. Це забезпечує одночасний дозвіл сингулярностей чорної діри та Великого вибуху. Таким чином, проблема зникнення інформації в чорній дірі вирішується сама собою», — пишуть дослідники.

Тепер, коли ви не дочитали наведене вище пояснення вчених, ми пропонуємо вам переклад з наукової людською мовою в нашій статті.

Читати повністю

Вчені побачили, як чорна діра поглинає нейтронну зірку. Це допоможе розкрити частину найбільших секретів Всесвіту

Вчені вперше зафіксували поглинання нейтронної зірки чорною дірою — це сталося близько 900 млн років тому, проте гравітаційні хвилі від двох цих грандіозних подій досягли Землі лише в січні 2020-го, а вивчити їх вчені змогли лише до середини літа 2021-го.

До цього часу вчені фіксували виключно «однорідні» зіткнення — тобто чорна діра поглинала іншу чорну діру, а нейтронна зірка стикалася з іншою нейтронною зіркою. Це неймовірно потужні гравітаційно-хвильові події, які створюють одні з найяскравіших і найпотужніших вибухів у Всесвіті та деформують тканину простору-часу, запускаючи по всьому космосу гравітаційні хвилі.

Учені й раніше фіксували (і не раз) сигнали, які свідчили про поглинання нейтронної зірки чорною дірою, однак цей випадок є винятковим — зараз дослідники точно впевнені, що гравітаційні хвилі вказують саме на цю подію.

«Злиття нейтронних зірок із чорними дірами — одне з найекстремальніших явищ у Всесвіті. Спостереження за такими зіткненнями відкриває нові можливості для вивчення фундаментальної фізики, а також того, як зірки народжуються, живуть і вмирають», — говорить доктор Рорі Сміт, астрофізик з Університету Монаша, який очолив дослідження.

Читати повністю

Чи є у чорних дір волосся?

Питання, яке зовсім не схоже на те, що мають вивчати вчені. Однак насправді це ще одна загадка цих монструозних об'єктів.

Теорема про відсутність волосся у чорних дір передбачає, що зовнішні властивості чорної діри залежать виключно від її маси, обертання (спіну) та електричного заряду. Інших характеристик, якими одну чорну діру можна відрізнити від іншої, не існує. Якщо ці три значення однакові — чорні діри можна назвати близнюками, тому що спостерігач не зможе знайти ще одну характеристику, за якою вони відрізнятимуться, навіть якщо вони будуть утворені абсолютно різними способами й у різний час.

У 2012 році математик Стефанос Аретакіс припустив, що деякі чорні діри можуть мати нестабільність на горизонті подій. Через них деякі його області володіли б сильнішим гравітаційним тяжінням, ніж інші. Це зробило б ідентичні чорні діри помітними, і саме ці нестабільності можна було б назвати «волоссям» чорних дір.

У нашому матеріалі ви можете прочитати, якого висновку дійшли вчені і чи є все-таки волосся у чорних дір.

Читати повністю

Ейнштейн знову має рацію. Вчені вперше в історії змогли побачити світло на звороті чорної діри

Нічого не вдієш із цими геніальними вченими минулого. То пророцтво Гокінга підтвердиться через 50 років, то Загальна теорія відносності Ейнштейна пройде одну з найжорсткіших перевірок у своїй історії — експеримент довжиною в 16 років.

І ось… Ейнштейн знову має рацію. Астрофізик Стенфордського університету Ден Вілкінс вперше зміг зафіксувати світло зі зворотного боку чорної діри — сценарій, передбачений Загальною теорією відносності, але досі не мав підтвердження на практиці.

Ви вже не раз читали, зокрема й у наших матеріалах, що гравітаційного тяжіння чорної діри не може уникнути ніщо — навіть світло. Що ж, настав час зізнатися — ми вам брехали. Гаразд, тут ми трохи перебільшуємо — справді все, що перетинає обрій подій чорної діри, буде втрачено назавжди.

Однак акреційний диск, що складається з газу та залишків розірваної матерії, обертається навколо чорної діри і може випромінювати надпотужні рентгенівські промені, видимі із Землі. Саме завдяки йому астрофізик Стенфордського університету Ден Вілкінс став першою людиною, яка зафіксувала світло, що виходить зі зворотного боку чорної діри.

Читати повністю

Астрофізики вигадали, як знайти найстаріші чорні діри у Всесвіті — чекати залишилося зовсім недовго

Як бачимо, 2021-й став справжнім ренесансом для вчених минулого. Останні дослідження показують, що ще одне припущення Гокінга може бути вірним.

Вважається, що для появи перших чорних дір мало пройти достатньо часу, щоб у Всесвіті спочатку сформувалися перші зірки — згідно з останніми оцінками, близько 250−300 млн років після Великого вибуху. Ще кілька мільйонів років довелося б почекати, поки досить масивна зірка спалить усі свої запаси пального — і лише тоді у Всесвіті з’явилися б перші чорні діри.

Спалах наднової знаменує смерть зірки. Це момент, коли термоядерне пальне зірки повністю вигоряє, через що вона починає остигати і стискатися під дією гравітації. Іноді це супроводжується досить барвистим процесом, коли зірка збільшує свою світність у мільярди разів, виділяючи величезну кількість енергії.

Однак Гокінг припускав, що чорні діри насправді з’явилися майже одразу після Великого вибуху. Це могло б пояснити, чому у Всесвіті існує така кількість надмасивних чорних дір.

ESA

Фото: ESA

Теорія вчених змінює наявну модель розвитку Всесвіту. Якщо зараз вважається, що після Великого вибуху пройшло близько 300 млн років до появи перших зірок, то первинні чорні діри могли б вплинути своєю гравітацією на раннє формування зірок і галактик. Таким чином, самі чорні діри отримали б більше часу, щоб зрости до розмірів, які ми можемо знайти сьогодні.

Зараз у нас немає технологій для перевірки припущення про існування первинних чорних дір. Проте вже зовсім скоро у нас з’явиться техніка нового покоління, яка прямо перевірить припущення вчених і зможе показати, чи мали рацію вони і Стівен Гокінг.

Первинні чорні діри можуть бути ще цікаві тим, що саме вони є гіпотетично відповідальними за виникнення темної матерії — одного з найзагадковіших компонентів нашого світу. Докладніше про цю гіпотезу прочитайте у нашому недавньому матеріалі.

Читати повністю

Астрономи виявили найближчу до Землі пару гігантських чорних дір, які ось-ось зіткнуться

У центрі сусідньої галактики NGC 7727 вчені виявили пару надмасивних чорних дір, що зливаються. Вже зовсім скоро (за космічними мірками) вони стануть одним астрономічним об'єктом. Ми вперше можемо спостерігати за двома надмасивними чорними дірами, які знаходяться так близько одна до одної.

Сюжет розвивається приблизно за 89 мільйонів світлових років від Землі в сузір'ї Водолія. Вчені відзначають, що ніколи не бачили пару чорних дір на такій відстані від нашої планети.

До речі, вчені виявили цю пару чорних дір за допомогою нового методу, про який ми розповімо вам зараз.

Читати повністю

Новий метод виявлення чорних дір

Чорна діра — надзвичайно щільний та масивний об'єкт. Чим більша маса космічного тіла, тим більшу гравітацією він має. Тому чорні діри можуть похвалитися чи не найпотужнішими гравітаційними полями, які за своєю силою можуть зрівнятися з цілими галактиками.

Таким чином, чорні діри можуть спричиняти ефект гравітаційного лінзування. Він виникає, коли потужний об'єкт своїм гравітаційним полем викривляє світло небесного тіла, що знаходиться за ним. Світло спотворюється до кільцеподібної форми та формує кільце Ейнштейна.

Чорна діра проходить навпроти галактики і викривляє світло, що виходить від неї — ілюстрація художника

Зараз дослідники використовують гравітаційне лінзування вивчення далеких галактик — тих, які ми не зможемо побачити в наші телескопи. Проте міжнародна команда вчених під керівництвом Сари Сарацино з Інституту астрофізичних досліджень Ліверпульського університету Джона Мура у Великій Британії все-таки змогла знайти чорну діру в зоряному скупченні NGC 1850, використовуючи гравітаційне лінзування.

Новий метод допоможе вченим відкрити ще більше молодих чорних дір, розкривши нові подробиці еволюції цих об'єктів. В одному тільки Чумацькому Шляху може існувати близько 100 млн чорних дір зіркової маси, проте ми поки що не виявили жодної з них.

Читати повністю

Вчені розповіли про неймовірну структуру, яка може черпати енергію із чорної діри

Дослідники припускають, що просунута інопланетна цивілізація може черпати енергію з чорної діри. На їхню думку, ключем до пошуку позаземного життя є сфери Дайсона — мегаструктури, які можна назвати космічними батареями.

Те, що ми досі їх не виявили, є одним із підтверджень парадоксу Фермі, основний посил якого звучить приблизно як «то й де ці високорозвинені цивілізації, якщо навколо нас немає жодних слідів неймовірних технологій?». Однак, можливо, ми просто недостатньо розвинені, щоб помічати такі речі, як мурахи, які навряд чи замислюються про переїзд до іншої країни.

Читати повністю

Чорні діри можуть бути зовсім не чорними. Можливо, це взагалі не діри

Найвеселіше — на закуску. Німецький вчений припустив, що чорні діри насправді можуть бути чорними зірками, а в їхньому центрі існує якась надзвичайно щільна екзотична матерія.

Зараз рано стверджувати, що ми зрозуміли природу чорних дір, незважаючи на величезну кількість досліджень, що вивчають їхні властивості. Рано чи пізно нам доведеться зіткнутися із загадкою центру чорної діри та визначити, що ж знаходиться всередині неї.

Вважається, що в центрі кожної чорної діри знаходиться сингулярність — одночасно нескінченно маленька та надщільна точка, яка не піддається законам фізики, що діють у нашому світі.

Фізики оминули цей парадокс, створивши планківську зірку — гіпотетичний астрономічний об'єкт, що зовні виглядає як чорна діра. Відрізняється він тим, що всередині знаходиться не сингулярність, а надзвичайно щільне ядро матерії, стиснуте до найменших можливих масштабів — довжини планків. Це приблизно в 100 трильйонів разів менше за протон, одну з найменших відомих нам частинок.

Читати повністю

Показати ще новини
Радіо НВ
X