воскресенье, 17 февраля 2019 г.

Philosophy: What exactly is a black hole?

A black hole is conventionally thought of as an astronomical object that irrevocably consumes all matter and radiation which comes within its sphere of influence. Physically, a black hole is defined by the presence of a singularity, i.e., a region of space, bounded by an 'event horizon', within which the mass/energy density becomes infinite, and the normally well-behaved laws of physics no longer apply. However, as an article in the January issue of the journal Nature Astronomy demonstrates, a precise and agreed definition of this 'singular' state proves to be frustratingly elusive. Its author, Dr. Erik Curiel of the Munich Center for Mathematical Philosophy at Ludwig-Maximilians-Universitaet, summarizes the problem as follows: "The properties of black holes are the subject of investigations in a range of subdisciplines of physics - in optical physics, in quantum physics and of course in astrophysics. But each of these specialties approaches the problem with its own specific set of theoretical concepts." Erik Curiel studied Philosophy as well as Theoretical Physics at Harvard University and the University of Chicago, and the primary aim of his current DFG-funded research project is to develop a precise philosophical description of certain puzzling aspects of modern physics. "Phenomena such as black holes belong to a realm that is inaccessible to observation and experiment. Work based on the assumption that black holes exist therefore involves a level of speculation that is unusual even for the field of theoretical physics."


However, this difficulty is what makes the physical approach to the nature of black holes so interesting from the philosophical point of view. "The physical perspective on black holes is itself inextricably bound up with philosophical issues relating to ontological, metaphysical and methodological considerations," says Curiel.


"Surprising" and "eye-opening" insights

During the preparation of his philosophical analysis of the concept of black holes for Nature Astronomy, the author spoke to physicists involved in a wide range of research fields. In the course of these conversations, he was given quite different definitions of a black hole.

Importantly, however, each was used in a self-consistent way within the bounds of the specialist discipline concerned. Curiel himself describes these discussions as "surprising" and "eye-opening".

For astrophysicist Avi Loeb, "a black hole is the ultimate prison: once you check in, you can never get out." On the other hand, theoretical physicist Domenico Giulini regards it as "conceptually problematical to think of black holes as objects in space, things that can move and be pushed around."

Curiel's own take-home-message is that the very diversity of definitions of black holes is a positive sign, as it enables physicists to approach the phenomenon from a variety of physical perspectives. However, in order to make productive use of this diversity of viewpoints, it will be important to cultivate a greater awareness of the differences in emphasis between them.

пятница, 8 февраля 2019 г.

Черные дыры помогут открыть новые сверхлегкие частицы

Некоторые теории, выходящие за рамки Стандартной модели физики элементарных частиц, предсказывают существование новых сверхлегких частиц, массы которых значительно меньше самых легких из известных науке. Они очень слабо взаимодействуют с обычной материей, поэтому их трудно обнаружить с помощью коллайдеров и детекторов темной материи. Однако в новой работе ученые показали, что такие частицы могут быть обнаружены в сигналах гравитационных волн, возникающих в результате слияния черных дыр. Статья исследователей опубликована на сайте препринтов статей ArXiv.org. Природа состоит из двух типов частиц, один из которых физики называют фермионами (они составляют твердую материю), а другой бозонами (они отвечают за распространение взаимодействия). Сверхлегкие бозоны могут образовывать большие конденсаты вокруг быстро вращающихся черных дыр в процессе, называемом сверхизлучением. Черную дыру, несущую такое бозонное облако, иногда называют «гравитационным атомом», потому что ее конфигурация очень напоминает протон-электронную структуру в атоме водорода, но в гораздо большем масштабе. В случае атома водорода переходы между этими различными уровнями энергии могут быть индуцированы при воздействии лазерного излучения на атом. Когда энергия лазера подобрана точно, электрон может «перепрыгнуть» из одного состояния в другое. 


Аналогичный эффект может произойти для гравитационного атома, если он является частью пары черных дыр, вращающихся вокруг друг друга. В этом случае гравитационное влияние второй черной дыры будет играть роль «лазера» и вызывать переходы между энергетическими состояниями бозонного облака.

В последние годы физики смогли измерить гравитационные волны, которые возникают, когда две черных дыры сливаются в одну. Как теперь показывают ученые, наличие переходов энергетических уровней в гипотетическом бозонном облаке будет вызывать характерный «отпечаток» в сигналах гравитационных волн, создаваемых такими сливающимися черными дырами. Наблюдение такого «отпечатка» было бы важным подтверждением для теорий, предсказывающих сверхлегкие бозонные частицы. Хотя текущие наблюдения гравитационных волн еще недостаточно чувствительны, чтобы наблюдать эффект, это станет целью будущих экспериментов.

понедельник, 21 января 2019 г.

Физики смоделировали «излучение Хокинга» — гипотетический процесс испарения черной дыры

Физики из Научного института Вейцмана смоделировали в волоконно-оптической системе, созданной в лаборатории, «излучение Хокинга» — гипотетический процесс, в результате которого черная дыра испаряется. Об этом пишет ScienceAlert. Согласно общей теории относительности, попавший в черную дыру объект не может вернуться из нее. Гравитационная сила черной дыры настолько велика, что даже свет — самое быстрое явление во Вселенной — не может достичь скорости убегания. Это значит, что черная дыра не выделяет электромагнитного излучения, — однако это утверждение справедливо до тех пор, пока не учитываются квантовые эффекты. Согласно квантовой теории, такие объекты должны непрерывно излучать частицы, теряя при этом энергию. Стивен Хокинг считал, что существуют пары частиц и античастиц с положительным и отрицательным зарядами соответственно. Черная дыра поглощает отрицательно заряженные античастицы, а положительно заряженные частицы убегают, забирая часть энергии с собой. Таким образом происходит испарение черной дыры. При этом математические расчеты показывают, что это излучение слишком слабо, чтобы его можно было обнаружить современными приборами.


Общая теория относительности гласит, что при образовании Вселенной могли бы рождаться первичные черные дыры, некоторые из которых (с начальной массой 1 012 кг) должны были бы заканчивать испаряться в наше время. Так как интенсивность испарения растет с уменьшением размера черной дыры, то последние стадии должны быть, по сути, взрывом черной дыры. Пока таких взрывов зарегистрировано не было.

Физики смоделировали «излучение Хокинга» в лаборатории, создав из оптоволокна модель горизонта событий. Материал имеет микроузоры внутри и действует как канал. При входе в волокно свет чуть-чуть замедляется. Для создания аналога горизонта событий по волокну посылаются два сверхбыстрых импульса лазерного излучения разного цвета. Первое мешает второму, в результате чего возникает эффект горизонта событий, наблюдаемый как изменение показателя преломления волокна.

Затем команда использовала дополнительный свет для этой системы, что привело к увеличению излучения с отрицательной частотой. Другими словами, «негативный» свет черпал энергию из горизонта событий — и служил признаком стимулированного «излучения Хокинга».

Пока физики не уверены, что им удалось смоделировать «излучение Хокинга», а не просто усилить нормальное электромагнитное излучение, однако ученые намерены продолжать эксперимент.

четверг, 22 ноября 2018 г.

Удивительная черная дыра

Ближайший к Земле квазар, находящийся в 600 миллионах световых лет от нас в галактике под названием Маркарян 231, расположен вокруг двух вращающихся чёрных дыр. Это открытие может изменить наше представление о квазарах, пишет Popular Science. Собранные телескопом Хаббл данные помогли обнаружить таинственное отверстие в аккреционном диске квазара — кольце газа, вращающегося вокруг чёрной дыры. Изучив этот феномен, учёные пришли к выводу, что эта система должна состоять из двух чёрных дыр: большой по центру и вращающейся вокруг неё маленькой. Большая из двух чёрных дыр имеет массу, эквивалентную 150 миллионам Солнц, а масса его маленького компаньона — «всего» 4 миллиона Солнц. Через несколько сотен тысяч лет чёрные дыры столкнутся, что, по оценкам учёных, может привести к концу нашей вселенной (ладно, расслабьтесь, это была шутка). Работающая над моделью команда учёных из США и Китая считает, что двойное «сердце» квазара сформировалось при столкновении двух галактик. Такое столкновение, кажется, хорошо влияет на звёздообразование: в галактике Маркарян 231 новые звёзды зажигаются в 100 раз чаще, чем в нашем Млечном Пути.


Мы очень взволнованы этим открытием, поскольку это первая открытая система с двойной чёрной дырой. Наше исследование открывает дорогу новым систематическим поискам подобных систем, — сказал один из авторов исследования Юджун Лю.

пятница, 9 ноября 2018 г.

Astronomers unveil growing black holes in colliding galaxies

Peering through thick walls of gas and dust surrounding the messy cores of merging galaxies, astronomers are getting their best view yet of close pairs of supermassive black holes as they march toward coalescence into mega black holes. A team of researchers led by Michael Koss of Eureka Scientific Inc., in Kirkland, Washington, performed the largest survey of the cores of nearby galaxies in near-infrared light, using high-resolution images taken by NASA's Hubble Space Telescope and the W. M. Keck Observatory in Hawaii. The Hubble observations represent over 20 years' worth of snapshots from its vast archive. "Seeing the pairs of merging galaxy nuclei associated with these huge black holes so close together was pretty amazing," Koss said. "In our study, we see two galaxy nuclei right when the images were taken. You can't argue with it; it's a very 'clean' result, which doesn't rely on interpretation." The images also provide a close-up preview of a phenomenon that must have been more common in the early universe, when galaxy mergers were more frequent. When galaxies collide, their monster black holes can unleash powerful energy in the form of gravitational waves, the kind of ripples in space-time that were just recently detected by ground-breaking experiments. The new study also offers a preview of what will likely happen in our own cosmic backyard, in several billion years, when our Milky Way combines with the neighboring Andromeda galaxy and their respective central black holes smash together.


"Computer simulations of galaxy smashups show us that black holes grow fastest during the final stages of mergers, near the time when the black holes interact, and that's what we have found in our survey," said study team member Laura Blecha of the University of Florida, in Gainesville.

"The fact that black holes grow faster and faster as mergers progress tells us galaxy encounters are really important for our understanding of how these objects got to be so monstrously big."

A galaxy merger is a slow process lasting more than a billion years as two galaxies, under the inexorable pull of gravity, dance toward each other before finally joining together. Simulations reveal that galaxies kick up plenty of gas and dust as they undergo this slow-motion train wreck.

The ejected material often forms a thick curtain around the centers of the coalescing galaxies, shielding them from view in visible light. Some of the material also falls onto the black holes at the cores of the merging galaxies.

The black holes grow at a fast clip as they engorge themselves with their cosmic food, and, being messy eaters, they cause the infalling gas to blaze brightly. This speedy growth occurs during the last 10 million to 20 million years of the union. The Hubble and Keck Observatory images captured close-up views of this final stage, when the bulked-up black holes are only about 3,000 light-years apart - a near-embrace in cosmic terms.

It's not easy to find galaxy nuclei so close together. Most prior observations of colliding galaxies have caught the coalescing black holes at earlier stages when they were about 10 times farther away. The late stage of the merger process is so elusive because the interacting galaxies are encased in dense dust and gas and require high-resolution observations in infrared light that can see through the clouds and pinpoint the locations of the two merging nuclei.

The team first searched for visually obscured, active black holes by sifting through 10 years' worth of X-ray data from the Burst Alert Telescope (BAT) aboard NASA's Neil Gehrels Swift Telescope, a high-energy space observatory.

"Gas falling onto the black holes emits X-rays, and the brightness of the X-rays tells you how quickly the black hole is growing," Koss explained. "I didn't know if we would find hidden mergers, but we suspected, based on computer simulations, that they would be in heavily shrouded galaxies.Therefore we tried to peer through the dust with the sharpest images possible, in hopes of finding coalescing black holes."

The researchers combed through the Hubble archive, identifying those merging galaxies they spotted in the X-ray data. They then used the Keck Observatory's super-sharp, near-infrared vision to observe a larger sample of the X-ray-producing black holes not found in the Hubble archive.

"People had conducted studies to look for these close interacting black holes before, but what really enabled this particular study were the X-rays that can break through the cocoon of dust," Koss said. "We also looked a bit farther in the universe so that we could survey a larger volume of space, giving us a greater chance of finding more luminous, rapidly growing black holes."

The team targeted galaxies with an average distance of 330 million light-years from Earth. Many of the galaxies are similar in size to the Milky Way and Andromeda galaxies. The team analyzed 96 galaxies from the Keck Observatory and 385 galaxies from the Hubble archive found in 38 different Hubble observation programs. The sample galaxies are representative of what astronomers would find by conducting an all-sky survey.

To verify their results, Koss's team compared the survey galaxies with 176 other galaxies from the Hubble archive that lack actively growing black holes. The comparison confirmed that the luminous cores found in the researchers' census of dusty interacting galaxies are indeed a signature of rapidly growing black-hole pairs headed for a collision.

When the two supermassive black holes in each of these systems finally come together in millions of years, their encounters will produce strong gravitational waves. Gravitational waves produced by the collision of two stellar-mass black holes have already been detected by the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO).

Observatories such as the planned NASA/ESA space-based Laser Interferometer Space Antenna (LISA) will be able to detect the lower-frequency gravitational waves from supermassive black-hole mergers, which are a million times more massive than those detected by LIGO.

Future infrared telescopes, such as NASA's planned James Webb Space Telescope and a new generation of giant ground-based telescopes, will provide an even better probe of dusty galaxy collisions by measuring the masses, growth rate, and dynamics of close black-hole pairs.

The Webb telescope may also be able to look in mid-infrared light to uncover more galaxy interactions so encased in thick gas and dust that even near-infrared light cannot penetrate them.

The team's results will appear online in the Nov. 7, 2018, issue of the journal Nature.