Недавно человечество впервые стало свидетелем чрезвычайно редкого космического события: черная дыра (или, возможно, нейтронная звезда) была поглощена звездой, после чего уничтожила ее ядро изнутри, чем вызвала сверхновую. О существовании подобного феномена до этого только догадывались, но теперь ученые имеют наглядное доказательство. Впервые это событие зарегистрировал в 2017 году Very Large Array - радиотелескоп, расположенный в Нью-Мексико, США. Внимание астрономов привлек мощный радиовзрыв VT 1210 + 4956, который связывают со взрывом сверхновой, происходил из карликовой галактики в примерно 480 миллионах световых лет от Земли. Для дальнейшего наблюдения за галактикой Донг с коллегами применили, кроме VLA, спектрометр LRIS (Low Resolution Imaging Spectrometer) из Обсерватории Кека на Гавайях, работающий в оптическом диапазоне. Он помог ученым найти следующую подсказку: сверхбыстрые потоки материи, выходящих из точки в окрестности этой галактики - признак того, что когда-то там произошел мощный взрыв. Последней деталью стали архивные данные японского телескопа MAXI (Monitor of All Sky X-ray Image), находящийся на МКС. Они показали мощную рентгеновскую вспышку с центром в том же месте - но на этот раз датированную 2014 годом.
Событие глазами художника. Спираль вокруг звезды - материя, поднятая объектом (черной дырой или нейтронной звездой, которая до этого была одной из двух звезд в двойной системе) с ее атмосферы. После столетий сближения двух тел, объект наконец погрузился сначала в атмосферу звезды, а затем дошел и до ядра, чем вызвал зрелищную вспышку сверхновой и два джета.
Credit: Chuck Carter
Вот что произошло, по мнению ученых: когда-то там была двойная звездная система. Впоследствии одна из звезд стала сверхновой и превратилась или в нейтронную звезду или на черную дыру, под действием гравитации приближалась к своей «сестре», оставляя за собой спираль перетащенного из нее газа.
После того как этот объект пересек границу атмосферы звезды, ему понадобилось еще несколько веков, чтобы достичь ядра. Наконец, уничтожение ядра звезды привело к формированию двух джетов - именно их рентгеновский следует засек в 2014 году японский телескоп - а также превратило звезду в сверхновую. Обнаруженные VLA радиоволновые всплески, с другой стороны, были вызваны столкновением материала с сверхновой с той огромной газовой спиралью, образовавшейся ранее.
Существование подобного феномена - вызванного слиянием сверхновой с ядром, которое коллапсирует (Merger-triggered core-collapse supernova) - ученые уже предвидели, но до этого не было ни одного прямого его наблюдения.
«Вторая звезда все равно рано или поздно взорвалась бы, но слияние ускорило процесс», - говорит Донг.
Исследование опубликовано в журнале Science под названием «A transient radio source consistent with a merger-triggered core collapse supernova».
Астрономы, работающие с рентгеновской космической обсерваторией «Спектр-РГ», составили первый каталог событий приливного разрушения звезд сверхмассивными черными дырами. В него вошли 13 событий, которые интерпретируются как образование аккреционного диска с околокритическим или сверхкритическим режимом аккреции вещества звезд на черные дыры с массами от 103 до 108 масс Солнца. Препринт работы доступен на сайте arXiv org. События приливного разрушения возникают, когда звезда пролетает достаточно близко от черной дыры, чтобы приливные силы смогли разрушить ее. При этом некоторая часть вещества звезды выбрасывает прочь, а остальная часть формирует вокруг черной дыры аккреционный диск. Наблюдатель таких событий сначала видит вспышку мягкого рентгеновского излучения, а затем уже в оптическом спектре. Подобные события позволяют разобраться в режимах аккреции вещества на черные дыры и свойствах сверхмассивных черных дыр с массами до 108 масс Солнца в ядрах галактик. Группа астрономов из России, Германии, Нидерландов и США во главе с Сергеем Сазоновым из лаборатории экспериментальной астрофизики Института космических исследований РАН опубликовала первый каталог событий приливного разрушения звезд сверхмассивными черными дырами, обнаруженными рентгеновским телескопом eROSITA космической обсерватории «Спектр-РГ» время его второго (из запланированных восьми) обзора неба в период с 10 июня по 14 декабря 2020 года. Данные космической обсерватории подтверждены наземными оптическими наблюдениями.
S. Sazonov et al. / arXiv:2108.02449v1
Наиболее далекое событие приливного разрушения, SRG J163831.7+534020, имеет значение красного смещения 0,581, а максимальная длительность свечения среди найденных событий — у SRGE J144738.4+671821, она как минимум шесть месяцев. Рентгеновские спектры наблюдавшихся событий можно описать в рамках модели типичного аккреционного диска с околокритическим или сверхкритическим режимом аккреции вещества на черные дыры с массами от 103 до 108 масс Солнца.
Ученые оценили, что общая частота появления рентгеновских событий приливного разрушения звезд сверхмассивными черными дырами составляет 1,1 × 10-5 событий на галактику в год, что на порядок ниже, чем более ранние оценки для оптических событий приливного разрушения. Если это расхождение связано с тем, что яркие рентгеновские события подобного рода составляют меньшинство всех наблюдаемых событий, то это доказывает теоретические модели, которые предсказывают сильную зависимость свойств событий приливного разрушения от угла обзора — рентгеновское излучение может наблюдаться только с направлений, близких к оси толстого аккреционного диска, образованного из вещества разрушенной звезды.
Дальнейшие наблюдения «Спектра-РГ» позволят уточнить ограничения как на свойства популяций сверхмассивных черных дыр и черных дыр промежуточных масс, так и на модели околокритической и сверхкритической аккреции на такие объекты.
«Спектр-РГ» ведет наблюдения с октября 2019 года и должен составить рекордно детальные карты небесной сферы в мягком и жестком диапазонах рентгеновского излучения. Аппарат оснащен двумя телескопами: российским ART-ХС и немецким eROSITA, которые установлены на российской платформе «Навигатор».
Два года назад ученые, работавшие с Телескопом горизонта событий (Event Horizon Telescope, EHT) выпустили первый в истории снимок черной дыры. Изображение подтвердило многие гипотезы относительно этих массивных, компактных объектов, но команда не останавливаться на достигнутом. Последние обнародованные данные сосредоточены на другой цели — активной галактике, известной как Центавр А, и ее джетах. Исследование опубликовано в журнале Nature Astronomy. EHT — это не один самостоятельный инструмент. Этот «телескоп» состоит из радиотелескопов, разбросанных по всему миру. Наблюдая один и тот же объект через каждый из них, ученые могут объединить данные при помощи временных отметок на атомных часах и многочисленных циклов на суперкомпьютерах. На сбор изображений EHT уходят месяцы, но и результаты стоят того. Мы бы никогда не смогли рассмотреть черную дыру в M87 через один единственный телескоп, и никогда прежде Центавр А не представал перед нами в таких деталях.
Центавр А интересен из-за своего активного галактического ядра. Черная дыра в ее центре занята поглощением вещества и выбросами релятивистских джетов в глубокий космос. Это делает Центавр А одной из ближайших к нам галактик, достаточно ярких на радиочастотах. Это пятая по яркости галактика в небе, так что к ней часто обращают свои телескопы астрономы-любители. В сети можно найти множество красочных снимков Центавра А.
Снимки EHT, возможно, не настолько визуально захватывающие, но лишь до тех пор, пока не разберешься в том, что на них изображено. Как видно на снимке сверху, EHT удалось детализировать изображение джета плазмы, испущенного галактическим ядром. Несмотря на то, что джет находится в 10 миллионах световых лет от Земли, команда сумела детально изучить его структуру.
Этот снимок джета в 16 раз четче всех предыдущих наблюдений. Судя по данным, светится только край потока, но команда отмечает, что такое впечатление возникает только при сильном приближении. Некоторые из прошлых анализов других джетов черных дыр предполагали наличие этой трубкоподобной структуры, теперь же появилось больше точных данных. Причина такого строения неясна, но ее причиной может быть взаимодействие краев с неподвижными газовыми облаками, из-за чего первые разогреваются и светятся.
Наблюдения вблизи черной дыры показывают, что «трубка» сужается в «конус», но основание все равно остается достаточно широким. Это может означать, что источником джета является аккреционный диск черной дыры, но некоторые ученые считают, что джеты используют энергию вращения черной дыры, чтобы вырываться наружу с такой силой. EHT пока еще не ответил на все вопросы ученых относительно черных дыр, но он вполне может направить их в нужное русло.
Новая система уравнений может точно описать отражения Вселенной, которые появляются в искривленном свете вокруг черной дыры. Исследование опубликовано в Scientific Reports. Конфигурация пространства вблизи черных дыр может быть настолько сложной, что лучи света искривляются вокруг этих массивных объектов несколько раз. Теперь благодаря Альберту Снеппену, студенту Института Нильса Бора, феномен, который лежит в основе эффекта гравитационного линзирования, впервые получил математическое описание. Он описал появление «двойников» гравитационно линзированных объектов, используя современный математический аппарат. Студент попытался разобраться в особенностях пространства около черных дыр, где происходит столь сильное искривление пространственной ткани, что лучи света отклоняются от своего курса. Как известно, в районе горизонта событий черной дыры траектория фотонов может измениться настолько, что они несколько раз облетят сверхмассивный объект. В итоге, если наблюдать черную дыру на фоне какого-то далекого объекта, то можно увидеть несколько искаженных его версий.
Математическое описание гравитационного линзирования, представленное Альбертом Снеппеном, объясняет, как именно рождаются такие «двойники» линзированных объектов. Он выяснил, как законы гравитации и принципы существования черных дыр определяют особенности эффекта линзирования. Стоит отметить, что ученый, кроме того, описал линзирование, порождаемое не обычными, а вращающимися черными дырами.
Однажды бесконечные изображения, близкие к черной дыре, могут стать инструментом для изучения не только физики пространства-времени черной дыры, но и объектов позади них — повторяющихся в бесконечных отражениях.
Площадь поверхности горизонта событий черной дыры при поглощении ею дополнительных масс может только увеличиваться. Анализ самой первой уверенно зафиксированной гравитационной волны GW150914, возникшей от слияния двух черных дыр около 1,3 миллиарда лет назад и обнаруженной еще в 2015 году, подтвердил теорему Хокинга о площади, предложенную им в 1971 году. Согласно ей, площадь поверхности горизонта событий черной дыры никогда не должна уменьшаться, а только может увеличиваться. Горизонт событий — это не сама черная дыра, а радиус сферы, внутри которой даже скорость света в вакууме недостаточна для достижения скорости убегания из гравитационного поля, создаваемого сингулярностью черной дыры. Он пропорционален массе черной дыры; поскольку черные дыры могут только набирать массу, согласно общей теории относительности горизонт событий должен только увеличиваться. При таком упрощенном описании все выглядит достаточно очевидно, хотя в действительности теорема Хокинга сформулирована несколько сложнее. Однако, в любом случае, вопрос в том, насколько наши теоретические представления о черных дырах совпадают с реальностью, остается открытым. Подтверждение этого прямым наблюдением было крайне важно, но сложно, в основном, потому, что черные дыры чрезвычайно трудно наблюдать напрямую, поскольку они не излучают.
И только когда была обнаружена гравитационная рябь, распространяющаяся в пространстве-времени при столкновении двух из этих загадочных объектов, прямая проверка теоремы Хокинга стала возможна.
Короткий гравитационный всплеск GW150914, зарегистрированный интерферометром LIGO, стал первым прямым наблюдением двух черных дыр, которые объединились и образовали одну большую черную дыру. Затем эта черная дыра осциллировала, издавая слабый гравитационный «звон». В 2019 году группа американских астрофизиков, во главе с командой из Массачусетского технологического института, усовершенствовав методы наблюдений, смогла обнаружить этот «звон», и на его основе вычислить массу и скорость вращения суммарной черной дыры.
Группа также провела новый анализ сигнала слияния, чтобы вычислить массу и спин двух черных дыр до слияния. Поскольку масса и вращение связаны с площадью горизонта событий, это позволило им вычислить горизонты событий всех трех объектов. Исследование было опубликовано в Physical Review Letters .
Если горизонт событий может уменьшиться в размерах, то горизонт событий объединенной черной дыры должен быть меньше, чем у двух черных дыр, которые ее создали. Согласно расчетам авторов статьи, две меньшие черные дыры имели общую площадь горизонта событий 235 000 квадратных километров. В то же время суммарная черная дыра имела площадь горизонта событий 367 000 квадратных километров.
Таким образом, теорема Хокинга о площади работает, по крайней мере, в краткосрочной перспективе. В дальнейшем все становится не столь очевидным: в рамках квантовой механики, которая не очень хорошо сочетается с классической физикой, Хокинг позднее предсказал, что в течение очень долгого времени черные дыры должны терять массу в виде излучения. Это излучение в дальнейшем было обнаружено в прямых наблюдениях, и названо в его честь излучением Хокинга. Такая потеря массы должна привести к тому, что горизонт событий черной дыры со временем может уменьшиться в площади, что вступает в противоречие с теоремой Хокинга, имеющей гораздо более глубокое и универсальное обоснование, чем приведенное выше простое объяснение. Очевидно, что в будущем это потребует более тщательного изучения.
В двух галактиках на расстоянии до 1 млрд световых лет от нас черные дыры поглотили своих спутников – нейтронные звезды. Этот космический катаклизм вызвал гравитационные волны, которые достигли Земли в начале 2020 года и были замечены детекторами LIGO и Virgo 5 и 15 января, пишет SciTechDaily со ссылкой на исследование. Ранее астрофизики обнаруживали столкновения пар черных дыр или пар нейтронных звезд, но слияние черной дыры с нейтронной звездой зафиксировано впервые. События получили названия GW200105 и GW200115. Несколько обсерваторий пытались засечь видимый свет от них, но тщетно. Ученые теоретизируют, что GW200115 – результат слияния черной дыры с массой в шесть масс Солнца и нейтронной звезды с массой в 1,5 солнечной. Событие произошло примерно в 1 млрд световых лет от Земли. GW200105 случилось ближе: в 900 млн световых годах с участием черной дыры в девять солнечных масс и нейтронной звезды с массой в 1,9 солнечной.
Авторы полагают, что такие катаклизмы в окружающей нас Вселенной (в радиусе 1 млрд св. лет от Земли) происходят, возможно, раз в месяц.
СПРАВКА. Черная дыра – область пространства-времени со столь мощным гравитационным притяжением, что покинуть ее не может даже свет. В процессе падения окружающей материи в ЧД вокруг этого объекта образуется аккреционный диск, то есть разогретая при сильнейшем вращении до сверхвысоких температур плазменная структура из этой самой материи. Поглощается лишь небольшая часть падающего в ЧД вещества; остальное на гигантской скорости разлетается в виде джетов. Нейтронные звезды, в том числе пульсары, – это сверхплотно "упакованные" останки выгоревших звезд, чьи ядра после взрыва сверхновой коллапсируют в сферу габаритами всего пару-тройку десятков километров гигантской плотностью (вещество больше не представляет собой совокупность атомов: электроны и протоны "сливаются", образуя нейтронный суп).
Они определили три вероятных "колыбели" таких события: это двойные звезды, области с высокой плотностью звезд на единицу объема (в т.ч. кластеры молодых звезд) и центры галактик.
Ученые Университета Тохоку в Японии обнаружили умирающее активное ядро галактики (АЯГ), в центре которого находится сверхмассивная черная дыра. Исследователи представили свое открытие на ежегодной конференции Американского астрономического общества. Кратко о научной работе рассказывается в пресс-релизе на Phys dot org. Астрономы зафиксировали релятивистский джет, вырывающийся у галактики Arp 187, который является отличительным признаком присутствия активного ядра. Открытие было совершено с помощью комплекса радиотелескопов ALMA (Atacama Large Millimeter Array) и комплекса VLA (Very Large Array). Однако при дальнейших наблюдениях на разных длинах волн ученые не заметили активности в самом ядре галактики, что говорило о том, что АЯГ в Arp 187 уже потух. Как только АЯГ «умирает», видимые мелкие компоненты активного ядра становятся слабыми, потому что источники света затухают. Однако крупномасштабная область ионизированного газа в Arp 187 все еще видна, поскольку фотонам требуется около трех тысяч лет, чтобы добраться до края области. Это явление известно как световое эхо. Само ядро стало более чем в тысячу раз слабее во всех диапазонах волн.
АЯГ представляют собой ядра, в которых происходят процессы, выделяющие огромное количество энергии. Принято считать, что источником высокоэнергетического излучения являются сверхмассивные черные дыры, которые также порождают джеты.
Ученые Международного центра релятивистской астрофизической сети (ICRANet) получили данные, доказывающие возможность извлечения энергии из эргосферы черной дыры. Астрономы обнаружили чрезвычайно мощный гамма-всплеск GRB 190114C с энергией около триллиона электронвольт на расстоянии 4,5 миллиарда световых лет от Земли. Об этом сообщается в статье, опубликованной в журнале Astronomy & Astrophysics. Авторы научной работы предложили объяснение высокоэнергетическим вспышкам, которые, согласно гипотезе, происходят из-за бинарных гиперновых. Они возникают в тесных двойных системах, состоящих из нейтронной звезды и углеродно-кислородной звезды на последнем этапе ее жизни. Когда последняя становится сверхновой, выброшенный материал поглощается нейтронной звездой, которая в результате за 1,99 секунды коллапсирует в черную дыру, испускающую гамма-всплеск. Возникшая черная дыра имеет силовые линии магнитного поля, унаследованного от нейтронной звезды. Именно вдоль них происходит ускорение частиц, которые извлекают энергию из эргосферы — области, расположенной между горизонтом событий и так называемым пределом статичности, под которым любой объект уже не может оставаться в состоянии покоя.
При исследовании GRB 190114C ученые обнаружили аналогичный механизм, однако процесс излучения в данном случае не непрерывный, а дискретный, то есть при каждом гамма-всплеске высвобождается квант энергии черной дыры.
Мы не можем физически исследовать черные дыры, из-за чего никто не может утверждать наверняка, что же происходит внутри них. Новая теория предлагает версию, о которой наверняка задумывались многие люди — внутри них существует переход в другие Вселенные. Мы очень мало знаем об устройстве нашего мира. Несмотря на огромное количество исследований, телескопов, моделирований, мы все равно далеко от понимания того, как живет наша Вселенная. Уникальна ли она? Как она появилась? А может до вероятного Большого взрыва и вовсе существовала другая Вселенная? Гипотез очень много, вопросов еще больше, а ответов пока что мало. В свое время Эйнштейн приложил множество усилий для изучения черных дыр. Это одни из самых мощных о в то же время загадочных объектов в космосе. Они буквально искривляют свет, пространство и время. Если мы выясним, что же происходит внутри черных дыр, то мы определенно станем ближе к понимаю многих процессов во Вселенной. Однако здесь есть одна проблема, с которой мы пока что не знаем, как справиться. Все, что приближается к черной дыре, попадает в ее мощное гравитационное поле, из которого выбраться уже невозможно. Что происходит с телом внутри черной дыры мы не знаем, но в нашем мире оно уже точно не появится. Из-за этого физически исследовать эти объекты невозможно, ведь выхода из них не существует — то есть даже теоретически попав внутрь черной дыры, все полученные знания останутся там же.
Астрономы намерены предоставить доказательства хорошо известного в теории процесса. Согласно астрофизическим моделям, срок жизни звезды, в зависимости от начальной массы, составляет от нескольких миллионов до десятков триллионов лет. В конечной стадии эволюции, в зависимости от массы, звезда либо сбрасывает внешнюю оболочку, становясь белым карликом, либо становится сверхновой, после чего от нее остается нейтронная звезда или черная дыра. Но есть и иной, насильственный и жестокий способ гибели звезды. Когда светило слишком близко приближается к черной дыре, приливная сила ее гравитационного поля так сильно тянет звезду, что в конечном итоге она разрывается на части. Это явление известно, как событие приливного разрушения (TDE), или, как удачно назвали его астрономы, спагеттификация. Мы можем обнаружить этот процесс, потому что он сопровождается яркой вспышкой света, вызванной гравитационным и фрикционным воздействиями в аккреционном диске вокруг черной дыры. Этот свет постепенно гаснет по мере истощения материала. Именно такое событие было обнаружено в апреле 2019 года камерой Zwicky Transient Facility, которая изучает небо в поисках переходных событий. Рассматриваемое событие, позже названное AT2019dsg, было необычно ярким даже для TDE, вспыхивая в рентгеновских, ультрафиолетовых, оптических и радиоволнах.
Внутренний край аккреционного диска, ближайший к черной дыре, является самой горячей частью диска и поэтому производит наиболее энергичное излучение — рентгеновские лучи. То, что мы вообще можем обнаружить рентгеновские лучи, означает, что мы смотрим на полюс сверхмассивной черной дыры — в противном случае он был бы закрыт внешними областями аккреционного диска.
Ученые и раньше наблюдали рентгеновское излучение в TDE, однако в данном случае оно имеет свои особенности. Международная группа астрономов во главе с Джакомо Канниццаро и Питером Йонкером из Нидерландского института космических исследований изучила электромагнитный выход и обнаружила линии поглощения.
Когда астрономы делают изображения света, если этот свет прошел через что-то, что замедляет или блокирует некоторые длины волн — например, газ или пыль, — это будет отображаться в виде темных линий в спектре. Они появляются в самых разных местах, но полюса сверхмассивных черных дыр среди них обычно нет.
Вариация и ширина этих линий поглощения тоже были странными. Наблюдаемая конфигурация, казалось, предполагала наличие нескольких нитей материала, похожих на клубок веревки. Это, в свою очередь, предполагало, что нечто было обернуто вокруг черной дыры под необычным углом. Ученые сделали вывод, что это спагеттифицированные волокна разрушенной приливом звезды, возможно, отброшенные от основной массы звездного мусора.
«Когда звезда разрушается, обломки могут образовывать самогравитирующие потоки. То, что мы можем видеть, – это линии поглощения, вызванные такими потоками, где различные орбитальные движения и прогнозируемые скорости этих разных потоков вызывают изменение ширины линий. Чтобы получить подобное, нам нужно, чтобы некоторые из самогравитирующих потоков отклонялись на большие углы, в то время как основная часть разрушенного материала циркулирует в аккреционный диск», – пишут исследователи.
Если эта интерпретация окажется верной, то ученые в первый раз получат прямые доказательства существования процесса спагеттификации.
The awesome spectacle of a black hole ripping a star to shreds can be seen in this striking new visualization from the Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), a particle accelerator lab in Hamburg, Germany. Such events are known as stellar tidal disruptors, and they are fairly rare, occurring just once every 10,000 years in a typical galaxy, according to NASA. Stars are typically flung toward a ravenous black hole after interacting gravitationally with another star or massive object, only to become stretched and devoured should they come too close to the black hole's maw in a process called spaghettification. Gravitational tidal forces, similar to the ones that cause the moon to raise tides on Earth, are responsible for most of the destruction. At first, the star's outer atmospheric layers will get pulled toward the black hole, spinning around its edge like water going down a drain and forming what's known as an accretion disk, as the video depicts. Surprisingly, the black hole only consumes about 1% of a star's mass, according to NASA. The majority will actually get catapulted back out into space in the form of enormous jets of energy and matter that shoot from the black hole's central region. These jets can sometimes light up the cosmos, allowing astronomers on Earth to catch glimpses of distant black holes, which are otherwise mostly invisible. Tiny, ghostly particles called neutrinos will also be flung from the black hole, occasionally giving researchers insights into processes occurring during the consumption event.
Some of the star's material does fall past the event horizon, the point after which nothing, including light, can escape. The visualization shows some of the strange optical effects that the event horizon produces, such as bending light so much that regions at the back of the accretion disk can be seen from its front.
Witnessing how swiftly the black hole dismembers and dispatches the star is an excellent reminder that no one should want to get anywhere near such a powerful object any time soon.
Most people probably know that the universe is full of elementary particles—but not everyone knows that it is also full of extremely fast stars moving freely through space like barracuda through the ocean. These stars are ejected by gravitational slingshots located at the focal point of galaxy mergers—where a pair of supermassive black holes coalesce while kicking stars out of the host galaxy, like a batter hitting a series of home runs out of the park. As the black hole pair tightens, its orbital speed rises, providing an even more powerful swing. Eventually this process launches some stars up to the speed of light in accordance with Albert Einstein’s special theory of relativity, making them what astrophysicists call “relativistic.” In 2014 I and my former postdoc James Guillochon calculated the abundance of free-fall relativistic stars in the vast space between galaxies and the difficulties involved in detecting them at the large distances. It must be thrilling to live on a planet orbiting one of these ejected stars and to witness its trip through space. The journey starts at the center of the parent galaxy, continues through many points of interest, out to the edge of the galaxy’s halo within one million years, and culminates in intergalactic space, passing by cosmological destinations over billions of years—all of which we can barely see through telescopes. These relativistic stars represent the most attractive travel packages that intergalactic tourist agencies can offer, and they also provide health benefits. Traveling close to the speed of light entitles you to the perk of time dilation—slowing down the natural aging process of all travelers relative to those they left behind.
Even in the absence of a galaxy merger, stars tugged by the strong gravity near a black hole at the center of a galaxy could also reach the speed of light. Half of the 2020 Nobel Prize in Physics was jointly awarded to Reinhard Genzel and Andrea Ghez for their program, which monitors stars moving at a few percent of the speed of light near the Milky Way’s supermassive black hole, Sagittarius A*. Relativistic stars are expected to be gravitationally bound to black holes at the centers of many other galaxies.
If relativistic stars in a galactic nucleus run into each other, the resulting head-on collision can produce a blast much more energetic than a typical supernova—an explosion from the collapse of a massive star after its nuclear fuel is exhausted. In order for the two-star collision to occur at nearly the speed of light, the central black hole must weigh more than 100 million suns. At lower masses, as is the case with black holes like Sagittarius A*, which weighs “only” four million suns, the strong tidal force of the black hole spaghettifies stars when they come close to it. The disrupted stars are then spread into a stream of gas long before they can get close enough to the black hole’s horizon to reach the speed of light, as shown in the Ph.D. thesis of my former student, Nick Stone.
At higher masses and at its event horizon, the gravitational tide—which scales inversely with the square of the black hole mass—is sufficiently weak so as not to disrupt a passing star. Stars that orbit at large distances from either type of black hole move at lower speeds, and their collisions result in weak explosions, as I showed in a preprint paper with my former graduate student Doug Rubin and in a follow-up preprint paper with Shmuel Balberg and Re’em Sari, both at the Hebrew University of Jerusalem.
What happens close to the most massive black holes, where stars can orbit at nearly the speed of light without being tidally disrupted? In a new paper,my current graduate student Betty Hu and I show that collisions of stars near these large black holes trigger the most energetic explosions in the universe, releasing up to thousands of times more energy than normal supernova explosions. These superluminous explosions in galactic nuclei would be detectable at the edge of the universe by the Legacy Survey of Space and Time (LSST) camera at the Vera C. Rubin Observatory, which is scheduled to start its operation within a couple of years.
There is yet another way to launch stars from galactic centers at high speeds. A pair of bound stars passing close to a supermassive black hole can be separated by its gravitational tide. One of the stars is kicked closer to the black hole while the other is ejected at a high speed, as predicted theoretically by Jack Hills in 1988. The kick that one star gets toward the black hole could account for the closest stars to Sagittarius A*, which was discovered by Genzel and Ghez. The ejection of their companions is the likely origin of the hypervelocity stars discovered in 2005 by Warren Brown and his collaborators in the halo of the Milky Way. These hypervelocity stars move at up to 2 percent of the speed of light and potentially carry planets with them. Planets that are freed by the ejection process constitute a population of hypervelocity planets, as theorized in a 2012 paper I wrote with my former student Idan Ginsburg.
All in all, galactic nuclei offer launch sites for the fastest habitable platforms that nature offers for free. It would not be surprising if advanced technological civilizations choose to migrate toward galactic centers for the same reason that astronauts and spectators flock to Florida’s Cape Canaveral during rocket launches. With that perspective in mind, searches for extraterrestrial intelligence should check for radio signals coming from riders of hypervelocity stars. We might also notice celebratory fireworks from their relatives at the galactic center whenever a high-speed star is shot out of there.
NASA has released a cool new visualization showing two massive black holes orbiting each other in a stunning display of light. The intense gravity and other phenomena all play a part in producing this mesmerizing display. Black holes are one of the most fascinating and mind-bending phenomena in the universe. The gravity of a black hole is so powerful that not even light can escape it. There are many varieties of black holes, and, in April 2021, NASA released a new visualization of binary (double) black holes, two black holes orbiting a common center of gravity, circling each other in a cosmic dance. The black holes depicted in this visualization are millions of times more massive than our sun. Each is surrounded by a disk of hot gas called an accretion disk. In the visualization, the gravity of the black holes distorts the light coming from their respective disks, producing a mesmerizing light show. Various other relativistic phenomena also contribute to the display.
Visualization of two massive black holes orbiting each other. The one in the foreground (with a red accretion disk) has a mass two hundred million times that of the sun, and its gravity bends the light coming from the accretion disk surrounding the smaller black hole (blue) behind it. The colors correspond to temperature, where the blue accretion disk is hotter and the red one is cooler. Image via NASA/ Goddard Space Flight Center/ Jeremy Schnittman/ Brian P. Powell.
Face-on overhead view of the two black holes and their accretion disks. A small and distorted edge-on view of the larger black hole appears near the smaller black hole, and a similar small image of the smaller black hole appears near the inner ring of light of the larger black hole. In effect, we are seeing both black holes from the side and from above at the same time. Image via NASA/ Goddard Space Flight Center/ Jeremy Schnittman/ Brian P. Powell.
How does this happen?
When you view the disks almost edge-on, from the orbital plane, they have a double-bulged look to them, reminiscent of seeing Saturn from the edge, slightly above or below the ring plane; a flat circular disk with a huge round bulge on top and bottom.
When one of the black holes passes in front of the other, however, as seen from our vantage point, the intense gravity of the black hole closer to us distorts the light coming from the black hole behind it. This creates a rapidly changing series of colorful arcs as they move. The light from both black holes is being modified by the distorted fabric of space-time near the black holes.
In the visualization, the light from the disks is shown as brilliant blue or red. This is partly to make them easier to distinguish, but also depicts the different temperatures of each disk. Hotter gas is shown as blue and cooler gas as red. Most of the light in both disks is emitted in the ultraviolet (UV) part of the electromagnetic spectrum instead of in visible light.
Stronger gravitational effects also produce higher temperatures so the disks look brighter on one side (the side closest to their respective holes). This is due to gravity distorting the light coming from different parts of the disks. The Doppler boosting effect – also known as relativistic beaming – also plays a part in these changes in brightness: the luminosity of the disk is affected by the gas moving faster near the black hole so that the side that is rotating toward the viewer appears brighter, while the side rotating away looks dimmer.
Another phenomenon that contributes to this visualization is relativistic aberration, where the black holes look smaller when they are moving closer to the viewer, but larger when moving away. That sounds counter-intuitive, but nature can be weird.
What happens if you look at the black holes from above, instead of from the side?
Those odd visual effects go away, but bizarre new ones take their place. Each black hole produces a small visual “copy” of the other black hole that orbits around it, sort of like watching a planet orbit a star from directly above. But those small copied images show the partner black hole in an edge-on view (the way we saw them before, from the side) instead of an above view. How does that happen? The light from the black hole disks is being bent by gravity at 90 degrees. This means that we can see both the primary black hole disk face-on from above, and the smaller image of the companion black hole disk edge-on, at the same time. How bizarre is that? Schnittman said:
A striking aspect of this new visualization is the self-similar nature of the images produced by gravitational lensing. Zooming into each black hole reveals multiple, increasingly distorted images of its partner.
The researchers used the Discover supercomputer at the NASA Center for Climate Simulation to create the visualization. It would have taken about a decade to make using just a regular desktop computer, but with Discover, while using only 2 percent of its 129,000 core processors, it took only a day.
The result is the beautiful movie of two black holes in their cosmic dance that you see here.
Scientists have discovered what may be the smallest-known black hole in the Milky Way galaxy and the closest to our solar system - an object so curious that they nicknamed it 'the Unicorn.' The researchers said the black hole is roughly three times the mass of our sun, testing the lower limits of size for these extraordinarily dense objects that possess gravitational pulls so strong not even light can escape. A luminous star called a red giant orbits with the black hole in a so-called binary star system named V723 Mon.The black hole is located about 1,500 light years - the distance light travels in a year, 5.9 trillion miles (9.5 trillion km) - from Earth. While it may be the closest one to us, it is still far away. By way of comparison, the closest star to our solar system, Proxima Centauri, is 4 light years away. Black holes like this one form when massive stars die and their cores collapse. "We nicknamed this black hole 'the Unicorn' partly because V723 Mon is in the Monoceros constellation - which translates to unicorn - and partly because it is a very unique system" in terms of the black hole's mass and relative closeness to Earth, said Ohio State University astronomy doctoral student Tharindu Jayasinghe, lead author of the study published this week in the journal Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
There are three categories of black holes. The smallest, like 'the Unicorn,' are so-called stellar mass black holes formed by the gravitational collapse of a single star. There are gargantuan 'supermassive' black holes like the one at our galaxy's center, 26,000 light years from Earth, which is four million times the sun's mass. A few intermediate-mass black holes also have been found with masses somewhere in between.
"It is clear that nature makes black holes of a wide range of masses. But a three-solar-mass black hole is a big surprise. There are no very good models for how to make such a black hole, but I am sure people will work on that more now," said Ohio State University astronomy professor and study co-author Kris Stanek.
'The Unicorn' falls into what the researchers called a "mass gap" between the largest-known neutron stars - objects similarly formed by a large star's collapse - at around 2.2 times the mass of our sun and what previously had been considered the smallest black holes at around five times the sun's mass.
"'The 'unicorn' is truly one of the smallest black holes possible," Jayasinghe said.
Its strong gravity alters the shape of its companion star in a phenomenon known as tidal distortion, making it elongated rather than spherical and causing its light to change as it moves along its orbital path. It was these effects on the companion star, observed using Earth-based and orbiting telescopes, that indicated the black hole's presence.
"Black holes are electromagnetically dark, and so they are difficult to find," Jayasinghe said.
Unlike some other black holes orbiting with a star, this one was not observed to be drawing material from its companion, which is 173 times more luminous than our sun.
The only smaller potential black hole is one with a mass 2.6 times that of our sun that was spotted in another galaxy, Jayasinghe said.
Ученые Университета Претории в ЮАР провели детальные наблюдения за активными ядрами галактик, где находятся гигантские черные дыры, и обнаружили, что между ними имеется необъяснимая пока разница. Некоторые галактики молчат в радиодиапазоне, хотя их черные дыры активно пожирают материю. Кроме того, специалисты обнаружили и другие различия. Выводы исследователей опубликованы в репозитории препринтов arXiv, кратко о них рассказывается в статье на Science Alert. Астрономы провели анализ результатов наблюдений области космоса, известной как GOODS-North и расположенной в созвездии Большая Медведица. Данные были получены благодаря глубокому обзору GOODS (The Great Observatories Origins Deep Survey) с помощью космического телескопа Хаббл, телескопа Спитцер, рентгеновской обсерватории Chandra, а также других инструментов. Ученым удалось идентифицировать активные галактические ядра, содержащие сверхмассивные черные дыры. Ученые заметили разницу между аккрециями (процессами поглощения материала) у разных сверхмассивных черных дыр: некоторые притягивали к себе вещество намного быстрее, чем другие, а некоторые не поглощали материю вовсе. При этом скорость аккреции не играет особой роли на образование релятивистских джетов — струй ионизированной плазмы, вырывающихся с полюсов черной дыры со скоростью, составляющей значительный процент от скорости света. Некоторые черные дыры не испускают радиоизлучения, что указывает на существование пока еще не известного механизма, играющего роль в формировании джетов.
Астрономы также оценили связь между активными черными дырами и звездообразованием в галактиках. Считается, что активное ядро подавляет процесс возникновения новых звезд, поскольку «сдувает» межзвездное вещество из галактики. В некоторых случаях может произойти и обратное: ударные волны могут способствовать коллапсу материи в звезды. Ученые показали, что в некоторых галактиках действительно наблюдается звездообразование.
Результаты наблюдений помогут лучше понять эволюцию галактик, а также процессов поглощения и поведения сверхмассивных черных дыр, чье происхождение пока остается загадкой.
As technology has improved over the centuries, so have astronomers’ observations of nearby galaxy Centaurus A. They have peeled back its layers like an onion to discover that its wobbly shape is the result of two galaxies that merged more than 100 million years ago. It also has an active supermassive black hole, known as an active galactic nucleus, at its heart that periodically sends out twin jets. Despite these advancements, Centaurus A’s dusty core is still quite mysterious. Webb’s high-resolution infrared data will allow a research team to very precisely reveal all that lies at the center. Centaurus A is a giant of a galaxy, but its appearances in telescope observations can be deceiving. Dark dust lanes and young blue star clusters, which crisscross its central region, are apparent in ultraviolet, visible, and near-infrared light, painting a fairly subdued landscape. But by switching to X-ray and radio light views, a far more raucous scene begins to unfold: From the core of the misshapen elliptical galaxy, spectacular jets of material have erupted from its active supermassive black hole – known as an active galactic nucleus – sending material into space well beyond the galaxy’s limits. What, precisely, is happening at its core to cause all this activity? Upcoming observations led by Nora Lützgendorf and Macarena García Marín of the European Space Agency using NASA’s James Webb Space Telescope will allow researchers to peer through its dusty core in high resolution for the first time to begin to answer these questions.
Centaurus A’s dusty core is apparent in visible light, but its jets are best viewed in X-ray and radio light. With upcoming observations from NASA’s James Webb Space Telescope in infrared light, researchers hope to better pinpoint the mass of the galaxy’s central supermassive black hole as well as evidence that shows where the jets were ejected. Credit: X-ray: NASA/CXC/SAO; optical: Rolf Olsen; infrared: NASA/JPL-Caltech; radio: NRAO/AUI/NSF/Univ.Hertfordshire/M.Hardcastle
“There’s so much going on in Centaurus A,” explains Lützgendorf. “The galaxy’s gas, disk, and stars all move under the influence of its central supermassive black hole. Since the galaxy is so close to us, we’ll be able to use Webb to create two-dimensional maps to see how the gas and stars move in its central region, how they are influenced by the jets from its active galactic nucleus, and ultimately better characterize the mass of its black hole.”
A Quick Look Back
Let’s hit “rewind” to review a bit of what is already known about Centaurus A. It’s well studied because it’s relatively nearby – about 13 million light-years away – which means we can clearly resolve the full galaxy. The first record of it was logged in the mid-1800s, but astronomers lost interest until the 1950s because the galaxy appeared to be a quiet, if misshapen, elliptical galaxy. Once researchers were able to begin observing with radio telescopes in the 1940s and ’50s, Centaurus A became radically more interesting – and its jets came into view. In 1954, researchers found that Centaurus A is the result of two galaxies that merged, which was later estimated to have occurred 100 million years ago.
Supermassive black holes, which lie at the centers of galaxies, are voracious. They periodically “sip” or “gulp” from the swirling disks of gas and dust that orbit them, which can result in massive outflows that affect star formation locally and farther afield. When NASA’s James Webb Space Telescope begins observing galaxies’ cores, its infrared instruments will pierce through the dust to deliver images and incredibly high-resolution data that allow researchers to learn precisely how one process sets off another, and how they create an enormous feedback loop. Credit: NASA, ESA, and L. Hustak (STScI)
With more observations in the early 2000s, researchers estimated that about 10 million years ago, its active galactic nucleus shot out twin jets in opposite directions. When examined across the electromagnetic spectrum, from X-ray to radio light, it’s clear there is far more to this story that we still have to learn.
“Multi-wavelength studies of any galaxy are like the layers of an onion. Each wavelength shows you something different,” said Marín. “With Webb’s near- and mid-infrared instruments, we’ll see far colder gas and dust than in previous observations, and learn much more about the environment at the center of the galaxy.”
Visualizing Webb’s Data
The team led by Lützgendorf and Marín will observe Centaurus A not only by taking images with Webb, but by gathering data known as spectra, which spread out light into its component wavelengths like a rainbow. Webb’s spectra will reveal high-resolution information about the temperatures, speeds, and compositions of the material at the center of the galaxy.
In particular, Webb’s Near Infrared Spectrograph (NIRSpec) and Mid-Infrared Instrument (MIRI) will provide the research team with a combination of data: an image plus a spectrum from within each pixel of that image. This will allow the researchers to build intricate 2D maps from the spectra that will help them identify what’s happening behind the veil of dust at the center – and analyze it from many angles in depth.
Compare this style of modeling to the analysis of a garden. In the same way botanists classify plants based on specific sets of features, these researchers will classify spectra from Webb’s MIRI to construct “gardens” or models. “If you take a snapshot of a garden from a great distance away,” Marín explained, “You will see something green, but with Webb, we will be able to see individual leaves and flowers, their stems, and maybe the soil underneath.”
As the research team digs into the spectra, they’ll build maps from individual parts of the garden, comparing one spectrum to another nearby spectrum. This is analogous to determining which parts contain which plant species based on comparisons of “stems,” “leaves,” and “flowers” as they go.
“When it comes to spectral analysis, we conduct many comparisons,” Marín continued. “If I compare two spectra in this region, maybe I will find that what was observed contains a prominent population of young stars. Or confirm which areas are both dusty and heated. Or maybe we will identify emission coming from the active galactic nucleus.”
In other words, the “ecosystem” of spectra has many levels, which will allow the team to better define precisely what is present and where it is – which is made possible by Webb’s specialized infrared instruments. And, since these studies will build on many that came before, the researchers will be able to confirm, refine, or break new ground by identifying new features.
Weighing the Black Hole in Centaurus A
The combination of images and spectra provided by NIRSpec and MIRI will allow the team to create very high-resolution maps of the speeds of the gas and stars at the center of Centaurus A. “We plan to use these maps to model how the entire disk at the center of the galaxy moves to more precisely determine the black hole’s mass,” Lützgendorf explains.
Watch as the jets and winds from a supermassive black hole affect its host galaxy—and the space hundreds of thousands of light-years away over millions of years. Credit: NASA, ESA, and L. Hustak (STScI)
Since researchers understand how the gravity of a black hole governs the rotation of nearby gas, they can use the Webb data to weigh the black hole in Centaurus A. With a more complete set of infrared data, they will also determine if different parts of the gas are all behaving as anticipated. “I’m looking forward to fully filling out our data,” Lützgendorf said. “I hope to see how the ionized gas behaves and twirls, and where we see the jets.”
The researchers are also hoping to break new ground. “It’s possible we’ll find things we haven’t considered yet,” Lützgendorf explains. “In some aspects, we’ll be covering completely new territory with Webb.” Marín wholeheartedly agrees, and adds that building on a wealth of existing data is invaluable. “The most exciting aspects about these observations is the potential for new discoveries,” she said. “I think we might find something that makes us look back to other data and reinterpret what was seen earlier.”
These studies of Centaurus A will be conducted as part of Gillian Wright and Pierre Ferruit’s joint MIRI and NIRSpec Guaranteed Time Observations programs. All of Webb’s data will ultimately be stored in the publicly accessible Barbara A. Mikulski Archive for Space Telescopes (MAST) at the Space Telescope Science Institute in Baltimore.
The James Webb Space Telescope will be the world’s premier space science observatory when it launches in 2021. Webb will solve mysteries in our solar system, look beyond to distant worlds around other stars, and probe the mysterious structures and origins of our universe and our place in it. Webb is an international program led by NASA with its partners, ESA (European Space Agency) and the Canadian Space Agency.
Астрофизики международного проекта Event Horizon Telescope (EHT) / «Телескоп горизонта событий» впервые получили изображение тени сверхмассивной черной дыры в галактике М87, находящейся примерно в 55 миллионах световых лет от Земли, в поляризованном свете. Статьи с результатами исследования опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters (1, 2), кратко о работе рассказывает пресс-релиз на сайте Европейской южной обсерватории. Новое детализированное изображение одного из самых загадочных (если не вообще — самого загадочного) объектов Вселенной получила та же международная группа астрофизиков, которая подарила нам самое первое изображение черной дыры (если быть точным, ее горизонта событий). По иронии судьбы, черные дыры также являются одними из самих ярких объектов во Вселенной. Это обусловлено процессами, которые происходят за пределами горизонта событий, — сильное гравитационное поле стягивает огромные объемы материи в аккреционный диск. Процессы, происходящие в диске, сопровождаются яркими джетами — излучениями струй частиц перпендикулярно оси черной дыры, от которых исходит еще больше света, чем от диска, поскольку они взаимодействуют с окружающим межзвездным материалом.
Наблюдения проводились еще в апреле 2017 года, но только недавно ученые завершили анализ данных и систематизировали все открытия.
Они обнаружили, что большая часть темно-оранжевого излучения, окружающего «рот» черной дыры, фильтруется через плотную завесу из магнитной энергии, которую можно нанести на карту и измерить с беспрецедентной точностью. Надев пару радиоастрономических эквивалентов поляризованных солнцезащитных очков, астрономы сосредоточили свое внимание на космическом теле с целью выявить четкие линии магнитной энергии, следующие внутрь ЧД. Им удалось измерить напряженность магнитного поля вблизи черной дыры и построить карту силовых линий поля, а также определить параметры плазмы. Для любителей точных цифр: средняя электронная плотность плазмы в излучающей области вблизи черной дыры — 104–7 частиц в кубическом сантиметре, напряженность магнитного поля — 1–30 гауссов, электронная температура плазмы — (1–12)×1010 кельвинов. Также ученым удалось оценить среднюю скорость аккреции вещества на черную дыру — она составила (3–20)×10-4 масс Солнца в год.
Полученные данные описываются магнитогидродинамической моделью сильно намагниченной плазмы, что говорит о важной роли магнитного поля в способности черной дыры поглощать космический материал и выбрасывать его во Вселенную. Астрономы все еще пытаются понять, какие конкретно механизмы управляют всем этим хаосом.
Проект EHT (Event Horizon Telescope) — глобальная интерферометрическая сеть из десяти радио- и миллиметровых обсерваторий, работающих на длине волны 1,3 миллиметра. Благодаря синхронизации работы отдельных телескопов при помощи атомных часов и использовании суперкомпьютеров для обработки данных ученым удалось создать единый телескоп и получить первое изображение горизонта событий сверхмассивной черной дыры в центре активной эллиптической галактики M87.
В будущем ученые продолжат изучать отдельные аспекты устройства и поведения черных дыр с целью их дальнейшего изучения, что, вероятно, и приведет к новым открытиям.
Червоточины, кротовые норы или туннели в пространстве-времени для мгновенного перехода из одной точки вселенной в другую — это непременный атрибут космической фантастики. Новое исследование немецких физиков утверждает, что такие туннели действительно могут существовать. Более того, в своей работе они смогли теоретически обосновать существование червоточин и приблизились к возможному пониманию этого явления. Исследование проведено международной группой физиков во главе с доктором Хосе Луисом Бласкес-Сальседо (Jose Luis Blázquez-Salcedo) из Университета Ольденбурга с публикацией выводов в научном журнале Physical Review Letters. В своей работе физики представили новую теоретическую модель образования и существования червоточин, которая делает микроскопические червоточины более обоснованными, чем в предыдущих теориях. Червоточины, как и черные дыры, появились в уравнениях общей теории относительности Альберта Эйнштейна, опубликованной в 1916 году. Важным постулатом теории Эйнштейна стало то, что Вселенная имеет четыре измерения — три пространственных измерения и время как четвертое измерение. Вместе они образуют то, что известно как пространство-время, и это пространство-время может быть растянуто и искривлено массивными объектами, такими как звезды. А раз возможно искривление, то нельзя исключать такой конфигурации континуума, когда две крайне отдалённые точки пространства могут сближаться до близкого расстояния.
«С математической точки зрения такой короткий путь был бы возможен, но никто никогда не наблюдал настоящую кротовую нору», — объясняют физики. Предыдущие модели предполагают, что единственный способ сохранить червоточину открытой и пройти сквозь неё — это использовать экзотическую форму материи, которая имеет отрицательную массу или, другими словами, весит меньше нуля, и которая существует только в теории. Но новая работа демонстрирует на своей модели, что червоточины можно также преодолевать без таких материалов.
Исследователи выбрали сравнительно простой «полуклассический» подход. Они объединили элементы теории относительности с элементами квантовой теории и классической теории электродинамики. В своей модели для путешествия сквозь червоточины они рассмотрели определенные элементарные частицы, в частности электроны. В качестве математического описания было выбрано уравнение Дирака с включением в модель Поля Дирака. Сочетание квантовой теории и теории относительности допустило условие, при котором материя в виде заряженных электронов может преодолевать червоточины без последствий. Это не про космические корабли, но электромагнитное излучение, а значит — связь, может оказаться реальностью для мгновенной передачи данных из одного уголка Вселенной в другой.
Black holes, those gravitational monsters so named because no light can escape their clutches, are by far the most mysterious objects in the universe. But a new theory proposes that black holes may not be black at all. According to a new study, these black holes may instead be dark stars home to exotic physics at their core. This mysterious new physics may cause these dark stars to emit a strange type of radiation; that radiation could in turn explain all the mysterious dark matter in the universe, which tugs on everything but emits no light. Thanks to Einstein’s theory of general relativity, which describes how matter warps space-time, we know that some massive stars can collapse in on themselves to such a degree that they just keep collapsing, shrinking down into an infinitely tiny point — a singularity. Once the singularity forms, it surrounds itself with an event horizon. This is the ultimate one-way street in the universe. At the event horizon, the gravitational pull of the black hole is so strong that in order to leave, you’d have to travel faster than light does. Since traveling faster than the speed of light is utterly forbidden, anything that crosses the threshold is doomed forever.
'Black holes' with Planck hearts would lack a true event horizon (like the one illustrated in this image).(Image credit: AleksandrMorrisovich/Shutterstock)
Hence, a black hole.
These simple yet surprising statements have held up to decades of observations. Astronomers have watched as the atmosphere of a star gets sucked into a black hole. They've seen stars orbit black holes. Physicists on Earth have heard the gravitational waves emitted when black holes collide. We’ve even taken a picture of a black hole’s "shadow" — the hole it carves out from the glow of surrounding gas.
And yet, mysteries remain at the very heart of black hole science. The very property that defines a black hole — the singularity — seems to be physically impossible, because matter can’t actually collapse down to an infinitely tiny point.
Planck engines
That means the current understanding of black holes will eventually need to be updated or replaced with something else that can explain what's at the center of a black hole.
But that doesn’t stop physicists from trying.
One theory of black hole singularities replaces those infinitely tiny points of infinitely compressed matter with something much more palatable: an incredibly tiny point of incredibly compressed matter. This is called a Planck core, because the idea theorizes that the matter inside a black hole is compressed all the way down to the smallest possible scale, the Planck length, which is 1.6 * 10^ minus 35 meters.
That's … small.
With a Planck core, which wouldn’t be a singularity, a black hole would no longer host an event horizon — there would be no place where the gravitational pull exceeds the speed of light. But to outside observers, the gravitational pull would be so strong that it would look and act like an event horizon. Only extremely sensitive observations, which we do not yet have the technology for, would be able to tell the difference.
Dark matter
Radical problems require radical solutions, and so replacing “singularity” with “Planck core” isn’t all that far-fetched, even though the theory is barely more than a faint sketch of an outline, one without the physics or mathematics to confidently describe that kind of environment. In other words, Planck cores are the physics equivalent of spitballing ideas.
That’s a useful thing to do, because singularities need some serious out-of-the-box thinking. And there might be some bonus side-effects. Like, for example, explaining the mystery of dark matter.
Dark matter makes up 85% of the mass of the universe, and yet it never interacts with light. We can only determine its existence through its gravitational effects on normal, luminous matter. For example, we can watch stars orbit the centers of the galaxies, and use their orbital speeds to calculate the total amount of mass in those galaxies.
In a new paper, submitted Feb. 15 to the preprint database arXiv, physicist Igor Nikitin at the Fraunhofer Institute for Scientific Algorithms and Computing in Germany takes the “radical singularity” idea and kicks it up a notch. According to the paper, Planck cores may emit particles (because there’s no event horizon, these black holes aren’t completely black). Those particles could be familiar or something new.
Perhaps, they would be some form of particle that could explain dark matter. If black holes are really Planck stars, Nikitin wrote, and they are constantly emitting a stream of dark matter, they could explain the motions of stars within galaxies.
his idea probably won't hold up to further scrutiny (there’s much more evidence for the existence of dark matter than just its effect on the motion of stars). But it’s a great example of how we need to come up with as many ideas as possible to explain black holes, because we never know what links there may be to other unsolved mysteries in the universe.
A team of scientists has detected the presence of a high-energy neutrino—a particularly elusive particle—in the wake of a star’s destruction as it is consumed by a black hole. A team of scientists has detected the presence of a high-energy neutrino—a particularly elusive particle—in the wake of a star’s destruction as it is consumed by a black hole. This discovery, reported in the journal Nature Astronomy, sheds new light on the origins of Ultrahigh Energy Cosmic Rays—the highest energy particles in the Universe. The work, which included researchers from more than two dozen institutions, including New York University and Germany’s DESY research center, focused on neutrinos—subatomic particles that are produced on Earth only in powerful accelerators. Neutrinos—as well as the process of their creation—are hard to detect, making their discovery, along with that of Ultrahigh Energy Cosmic Rays (UHECRs), noteworthy. “The origin of cosmic high-energy neutrinos is unknown, primarily because they are notoriously hard to pin down,” explains Sjoert van Velzen, one of the paper’s lead authors and a postdoctoral fellow in NYU’s Department of Physics at the time of the discovery. “This result would be only the second time high-energy neutrinos have been traced back to their source.”
A view of the accretion disc around the supermassive black hole, with jet-like structures flowing away from the disc. The extreme mass of the black hole bends spacetime, allowing the far side of the accretion disc to be seen as an image above and below the black hole. Credit: DESY, Science Communication Lab
The following video, created by NASA, a research partner on the Nature Astronomy work, describes the findings in greater detail (video credit: NASA’s Goddard Space Flight Center).
Previous research by van Velzen, now at the Netherlands’ Leiden University, and NYU physicist Glennys Farrar, a co-author of the new Nature Astronomy paper, found some of the earliest evidence of black holes destroying stars in what are now known as Tidal Disruption Events (TDEs). These findings set the stage for determining if TDEs could be responsible for producing UHECRs.
The research reported in Nature Astronomy offered support for this conclusion.
Previously, the IceCube Neutrino Observatory, a National Science Foundation-backed detector located in the South Pole, reported the detection of a neutrino, whose path was later traced by the Zwicky Transient Facility at Caltech’s Palomar Observatory.
Specifically, its measurements showed a spatial coincidence of a high-energy neutrino and light emitted after a TDE—a star consumed by a black hole.
“This suggests these star shredding events are powerful enough to accelerate high-energy particles,” van Velzen explains.
“Discovering neutrinos associated with TDEs is a breakthrough in understanding the origin of the high-energy astrophysical neutrinos identified by the IceCube detector at the South Pole whose sources have so far been elusive,” adds Farrar, who proposed in a 2009 paper that UHECRs could be accelerated in TDEs. “The neutrino-TDE coincidence also sheds light on a decades old problem: the origin of Ultrahigh Energy Cosmic Rays.”
After the supermassive black hole tore the star apart, roughly half of the star debris was flung back out into space, while the remainder formed a glowing accretion disc around the black hole. The system shone brightly across many wavelengths and is thought to have produced energetic, jet-like outflows perpendicular to the accretion disc. A central, powerful engine near the accretion disc spewed out these fast subatomic particles. Credit: DESY, Science Communication Lab
Read Ghost Particle From Star Shredded by Black Hole Reveals Cosmic Particle Accelerator for more on this research.
Reference: “A tidal disruption event coincident with a high-energy neutrino” by Robert Stein, Sjoert van Velzen, Marek Kowalski, Anna Franckowiak, Suvi Gezari, James C. A. Miller-Jones, Sara Frederick, Itai Sfaradi, Michael F. Bietenholz, Assaf Horesh, Rob Fender, Simone Garrappa, Tomás Ahumada, Igor Andreoni, Justin Belicki, Eric C. Bellm, Markus Böttcher, Valery Brinnel, Rick Burruss, S. Bradley Cenko, Michael W. Coughlin, Virginia Cunningham, Andrew Drake, Glennys R. Farrar, Michael Feeney, Ryan J. Foley, Avishay Gal-Yam, V. Zach Golkhou, Ariel Goobar, Matthew J. Graham, Erica Hammerstein, George Helou, Tiara Hung, Mansi M. Kasliwal, Charles D. Kilpatrick, Albert K. H. Kong, Thomas Kupfer, Russ R. Laher, Ashish A. Mahabal, Frank J. Masci, Jannis Necker, Jakob Nordin, Daniel A. Perley, Mickael Rigault, Simeon Reusch, Hector Rodriguez, César Rojas-Bravo, Ben Rusholme, David L. Shupe, Leo P. Singer, Jesper Sollerman, Maayane T. Soumagnac, Daniel Stern, Kirsty Taggart, Jakob van Santen, Charlotte Ward, Patrick Woudt and Yuhan Yao, 22 February 2021, Nature Astronomy. DOI: 10.1038/s41550-020-01295-8
The research was supported by grants from the National Science Foundation (CAREER grant 1454816, AAG grant 1616566, PIRE Grant 1545949, NSF grant AST-1518052)
