Астрофизики вычислили параметры величайшей черной дыры

С помощью орбитальных и наземных телескопов, включая космический телескоп «Хаббл», ученым удалось произвести точные замеры так называемого горизонта событий центральной черной дыры в эллиптической галактике NGC 4889.

Как сообщается на сайте «Хаббла», используя это устройство, ученые смогли определить пределы горизонта событий самой крупной черной дыры из известных в настоящее время науке, то есть фактически — вычислить ее диаметр.

Принято считать, что многие массивные галактики содержат в центральной части минимум одну сверхмассивную черную дыру. Пока остается загадкой, вследствие чего они образуются. На основе наблюдений за окружающим дыры искривленным пространством можно сделать вывод, что их масса обычно колеблется от миллиона до нескольких миллиардов масс Солнца.

Прежде звание крупнейшей черной дыры принадлежало центральному объекту галактики М87, входящей в созвездие Девы и удаленной от Земли на 53 миллиона световых лет. Теперь ее показатели побила черная дыра, принадлежащая галактике NGC 4889 из созвездия Волосы Вероники. Эта галактика расположена на расстоянии около 335 миллионов световых лет от Земли. По предыдущим данным, возможная масса черной дыры варьировалась от 9,8 миллиарда солнечных масс до 27 миллиардов. Препятствием при измерении массы является текущее «мертвое» состояние галактики NGC 4889. Причиной этого стало уничтожение черной дырой всех запасов холодного газа, служащего материалом для образования новых звезд. В настоящее время она «простаивает без дела», почти не захватывая космического вещества и не выделяя излучений в виде раскаленных частиц плазмы.

Последние замеры, осуществленные с применением «Хаббла» и комплекса других телескопов, дали возможность вычислить расположение горизонта событий этого объекта — участка сферы, в котором сосредоточена гравитационная мощь черной дыры. Пересекая его, материя и свет навсегда поглощаются. Диаметр сферы, именуемый физиками как «шварцшильдовский», это и есть, по сути, аналогичный параметр черной дыры, который позволяет точнее определить ее массу.

Судя по результатам исследования, данный объект действительно обладает гигантскими размерами: за границами ее горизонта без труда разместился бы десяток Солнечных систем, следующих одна за другой. Диаметр черной дыры равен 130 миллиардам километров. Для примера, черные дыры, которые породили недавно обнаруженные гравитационные волны, имели диаметр около 200 километров. Исходя из этого показателя, черная дыра обладает массой 21 миллиард солнечных масс, что чуть ниже максимальных предполагаемых ранее значений. Но все же это не исключает, что галактика NGC 4889 хранит в себе одну из самых огромных черных дыр.

Ученые создали аналог черной дыры

Исследователи из Гарвардского университета и компании Raytheon BBN Technology обнаружили, что заряженные частицы, обеспечивающие перенос электрического заряда по поверхности графена высокой степени чистоты, ведут себя подобно жидкости, обладающей некоторыми релятивистскими свойствами.

Данное открытие может привести к появлению новых технологий эффективного преобразования тепла в электрическую энергию и к более экзотическим вещам, к примеру, чипов, на поверхности которых можно смоделировать некоторые аспекты поведения сверхновых звезд, черных дыр и других астрономических объектов.

Известно, что графен является очень легким и прочным материалом, он имеет высокие показатели электрической и тепловой проводимости, он одновременно и прочен и гибок. Столь уникальный набор характеристик этого материала позволяет рассматривать его в качестве альтернативной замены кремнию в электронике или литию в аккумуляторных батареях. Кроме этого, тросы для первого космического лифта, когда он будет построен, могут быть изготовлены из графена или его ближайшего "родственника" - углеродных нанотрубок.

Исследователи, возглавляемые профессором Филипом Кимом (Prof. Philip Kim), нашли еще один способ получения высококачественных листов графена и использовали это для обнаружения еще одного примечательного свойства этого материала. Они выяснили, что при некоторых условиях частицы, переносящие электрический заряд по поверхности графена, ведут себя больше как жидкость, вместо того, чтобы отталкиваться друг от друга, эти частицы сталкиваются между собой триллионы раз в секунду.

Группа профессора Кима изолировала единственный слой графена, защитив его с обеих сторон слоями нитрида бора, прозрачного кристаллического материала, известного под названием "белый графен" из-за его подобных свойств и атомарного строения. Специально оставленные без защитного слоя концы листа графена были покрыты ионизированными заряженными частицами и, благодаря этому, ученым удалось наблюдать воочию за процессами движения электрических зарядов, которые возникали под воздействием приложенного извне электрического потенциала и потоков тепла.

Когда большинство из материалов подвергается воздействию электрического поля, отрицательно заряженные электроны и их антиподы, электронные дыры, движутся в противоположных направлениях. Однако, при некоторых условиях, к примеру, под воздействием тепла из внешнего источника, эти носители отрицательного и положительного зарядов начинают двигаться в одном направлении. Но в любом случае заряженные частицы в нормальных условиях практически не взаимодействуют друг с другом.

Однако, двухмерная природа и сотовидная структура графена высокой чистоты вынуждают заряженные частицы двигаться в одном и том же направлении, сталкиваясь между собой с большой частотой, формируя нечто вроде сильно взаимодействующей квазирелятивистской плазмы, известной под названием жидкости Дирака. "Физика, которую мы обнаружили, изучая черные дыры и теорию суперструн, была найдена и на поверхности графена" - рассказывает Эндрю Лукас (Andrew Lucas), один из исследователей, - "Это является первым образцом релятивистской гидродинамической системы в металлическом материале".

Обнаруженные на графене эффекты релятивистской гидродинамики могут быть использованы для создания чипов, работающих на несколько отличающихся от традиционной электроники принципах. Это, в свою очередь, позволит не только обеспечить высочайшее быстродействие этих чипов. Эти чипы могут быть использованы в качестве испытательных средств для экспериментов, раскрывающих суть сложных квантовых явлений, проявления которых до этого времени были найдены лишь в некоторых видах астрономических объектов.

Хаббл помог «рассмотреть» одну из самых больших черных дыр

Космический телескоп Хаббл дал астрономам возможность подробно рассмотреть галактику, внутри которой находится сверхмассивная черная дыра. Огромная черная дыра в галактике NGC 4889 – одна из нескольких в скоплении.

 Специалисты НАСА заявляют, что почти в каждой галактике в центре есть такие черные дыры «массой больше 1 миллиона солнц». Черная дыра в NGC 4889 достигает 130 миллиардов километров в диаметре, но увидеть ее на фото невозможно. И все же ученым удалось измерить ее габариты благодаря данным о скорости звезд, которые движутся вокруг нее. Ученые говорят, что эта черная дыра – одна из самых больших из всех известных сегодня. 

Ученые говорят, что этот объект разрушает гипотезу о том, что черные дыры всегда поглощают окружающую материю. Эта «заморожена» в течение миллиардов лет – вокруг нее спокойно формируются звезды из оставшегося от ее деятельности газа. Орбиты звезд вокруг черной дыры не нарушаются. Впрочем, столкновение с другой галактикой может «реактивировать» ее, считает Роланд ван дер Марел (Roeland van der Marel), глава миссии WFIRST, части проекта Хаббл в Балтиморе.

Ученые выяснили, как ведут себя черные дыры-"бублики"

Физики выяснили, что черные дыры в пяти измерениях могут превращаться в необычные "бублики", распад которых позволил бы заглянуть за горизонт событий и увидеть внутреннюю часть черной дыры, что считалось невозможным с точки зрения теории относительности.

Физики-теоретики построили первую модель экзотической черной дыры-"бублика", которая, как оказалось, будет нарушать постулаты теории относительности Эйнштейна в пяти и более многомерном пространстве, и будет видна для наблюдателей извне, говорится в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.

"Если так называемые голые сингулярности существуют, то тогда общая теория относительности просто перестает работать. И если она больше не работает, то падает вся построенная физика – мы больше ничего не сможем предсказать, что происходит во Вселенной. В таком случае мы больше не сможем воспринимать ОТО в качестве единственной теории, описывающей поведение бытия", — заявил Саран Туньясувунакул (Saran Tunyasuvunakool) из Кембриджского университета (Великобритания).

Туньясувунакул и его коллеги заявляют, что подобные "голые сингулярности" могли бы существовать во Вселенной, если бы у нее было пять или более измерений, просчитав поведение крайне необычной черной дыры при помощи суперкомпьютера COSMOS в Кембридже.

Как объясняют ученые, теория относительности предсказывает, что во Вселенной могут существовать так называемые сингулярности – точки, обладающие бесконечно высокой плотностью и какой угодно массой. Частным случаем сингулярности являются хорошо известные всем черные дыры.

Такие объекты, в соответствии с принципом "космической цензуры" Пенроуза-Хокинга, невозможно увидеть, так как они будут отделены от всей остальной Вселенной горизонтом событий – сингулярность находится внутри воображаемой сферы, из которой даже свет не сможет выбраться из-за сверхсильного притяжения черной дыры. Исполнение этого принципа крайне важно для физики, так как открытие "голой сингулярности", хотя бы в теоретическом виде, будет означать, что вся современная физическая наука является неправильной.

В начале 2000 годов, по словам авторов статьи, физики обнаружили, что горизонт событий у сингулярности может быть не только сферообразным, но и похожим на своеобразный "бублик", если исходный материал, из которого родилась черная дыра, вращался достаточно быстро, и если Вселенная включает в себя не четыре, а пять и более измерений. Такая черная дыра будет крайне нестабильной, и структура ее горизонта событий будет постоянно меняться.

Туньясувунакул и его коллеги решили проверить, будет ли работать теория относительности и "космическая цензура" для таких объектов, создав компьютерную модель подобной черной дыры в пятимерном пространстве.

Как показали эти расчеты, возможны два сценария поведения такой сингулярности, "хороший" и "плохой". Первый подразумевает превращение "бублика" в обычную сферическую черную дыру, а второй – рождение "голой сингулярности".

События развиваются по первому сценарию в том случае, если "бублик" горизонта событий у этого объекта является изначально достаточно толстым. В таком случае после формирования черной дыры по кольцу будут идти своеобразные "волны", оно начнет сжиматься с разных сторон и в конечном итоге сколлапсирует в сферу.

Однако если это кольцо будет изначально тонким, то такие деформации приведут к появлению своеобразных "бугров" в некоторых его частях и утончению "бублика" в других его участках. В конечном итоге кольцо разорвется на "капли", и возникнет голая сингулярность, которую в принципе можно будет увидеть.

Таким образом, можно говорить, что принцип "космической цензуры" и общая теория относительности могут гипотетически нарушаться в пятимерном пространстве. Мы, как сегодня считают физики и как считал сам Эйнштейн, живем в четырехмерном пространстве, поэтому в принципе ОТО ничего не угрожает, так как астрономы вряд ли найдут подобные черные дыры-"бублики".

Тем не менее, как подчеркивают Туньясувунакул и его коллеги, такая вероятность все же имеется — теории струн предсказывают, что мы на самом деле живем не в четырехмерном, а в 11-мерном пространстве, семь измерений которого "свернуты" и невидимы для нас. Проверить существование этих измерений, как надеются исследователи, поможет обновленный БАК, где в конце прошлого года ученые зафиксировали первые возможные следы "новой физики", не укладывающейся в стандартную картину Вселенной.

Физики предложили целых 11 измерений для Вселенной и моделируют 5D черные дыры

Черные дыры являются довольно странными и загадочными, но они могут еще больше озадачить человечество. Впервые ученые показали, что черные дыры в 5D-измерении могут игнорировать действующие законы физики и наше понимание Вселенной.

Исследователи из Университета Кембриджа показали, что черная дыра в пятимерном мире может опровергнуть Общую теорию относительности Эйнштейна, являющуюся основополагающим законом физики. Это означает, что 5D черные дыры будут настолько тяжелы, что законы современной физики, которые нам известны, рухнут.

По данным компьютерного моделирования, в пятимерной Вселенной есть черные дыры, которые сродни очень тонким кольцам вместо отверстия, дающие начало серии «выпуклостей», которые становятся тоньше с течением времени. Ниточки, соединяющие эти выпуклости, в конечном счете, станут настолько тонкими, что сами превратятся в мини-черные дыры.

Эти так называемые «черные кольца» впервые стали предметом научных обсуждений еще в 2002 году, но только сейчас с помощью суперкомпьютеров – они были удачно смоделированы.

Последствиями образования 5D черных дыр станет порождение «голой сингулярности», так как они, гипотетически, состоят из колец интенсивной гравитации. Данное событие чрезвычайно таинственное и показывает, что законы Общей теории относительности к нему не применимы.

Общая теория относительности объясняет то, что люди до сих пор знали о гравитации. В двух словах, она диктует, что материя - это искривление окружающего пространства-времени, с возникающим эффектом силы тяжести.

Прошло 100 лет с тех пор, как теория Эйнштейна была впервые предложена, и она до сих пор действенна. Феномен сингулярности, тем не менее, остается одним из ее основных ограничений.

В сингулярности гравитация является настолько сильной, что время, пространство и законы современной физики перестают действовать. Согласно Общей теории относительности, эти сингулярности существуют прямо в центре черных дыр и окружены горизонтом событий или так называемой «точкой невозврата», где гравитационное притяжение оказывается настолько сильным, что события нельзя наблюдать извне.

Автор исследования, доктор Маркус Кунеш из Кембриджа объясняет, что сингулярности не являются источником проблемы (смысл Общей теории относительности остается в силе), пока они остаются скрытыми за горизонтом событий.

А что, если сингулярность вне горизонта событий существует? В этом случае она будет видима, и состояния, когда объект коллапсирует до бесконечной плотности, будут проявляться, вызывая развал Общей теории относительности путем отмены ее «предиктивной силы» или силы в качестве автономной теории для объяснения Вселенной.

Это становится актуальным, если учесть, что физики предложили Вселенную, состоящую из целых 11 измерений. Люди могут воспринимать из них только три, а существование дополнительных измерений можно вывести только из высокоэнергетических экспериментов, в том числе, на большом Адронном коллайдере.

Команда ученых достигла пределов, которые суперкомпьютер может смоделировать с применением новых методик и компьютерных программ, необходимых для обработки крайних состояний и форм, подобных «черному кольцу». Но они стремятся знать, какие элементы в четырехмерной Вселенной могут сделать «голую сингулярность» невозможной, а Общую теорию относительности - правильной.

Физики считают, что черные дыры нарушают принцип космической цензуры

Физики доказали нестабильность пятимерных черных дыр. Математические физики из Великобритании впервые показали, что черные дыры в пятимерном и более высокой размерности пространстве-времени нестабильны и нарушают принцип космической цензуры. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, а кратко о нем сообщается на сайте Кембриджского университета.

Принцип космической цензуры (в сильной форме) в 1973 году предложил британский математический физик Роджер Пенроуз. Его модифицированную версию (в слабой форме) позднее рассмотрел Стивен Хокинг. Принцип космической цензуры говорит о том, что в пространстве-времени невозможны голые сингулярности.

Последнее означает, что сингулярности, возникающие в общей теории относительности Альберта Эйнштейна, должны быть скрыты от внешнего наблюдателя. В частности, для черной дыры они должны находиться под ее горизонтом событий. В четырехмерном пространстве-времени это условие, скорее всего, выполняется.

В 2002 году физики показали, что в пятимерном пространстве-времени могут существовать черные дыры, проекция которых на трехмерное пространство напоминает тонкое кольцо. Ученым только сейчас при помощи суперкомпьютеров удалось исследовать динамику таких черных дыр и продемонстрировать ее неустойчивый характер.

Пятимерные черные дыры с течением времени могут распадаться на другие черные дыры, каждая из которых будет являться источником голой сингулярности, то есть нарушать принцип космической цензуры. Математически это приводит к невозможности описания пятимерного пространства-времени общей теорией относительности.

Физические следствия сводятся к появлению в пространстве-времени областей с бесконечной плотностью массы и нарушению причинности (когда настоящее не определяет будущее). Ученые отмечают, что их выводы могут пригодится при разработке струнных теорий, в которых размерность пространства-времени больше четырех, и создании квантовой теории гравитации.

Черные дыры, породившие гравитационные волны, вероятнее всего, находились внутри одной звезды

Объявляя об обнаружении предсказанных Эйнштейном гравитационных волн, ученые заявили, что их источником стало слияние двух черных дыр, находящихся в миллиарде световых лет от Земли. Единственное, что настораживало ученых и вызывало определенные вопросы – таинственный гамма-всплеск огромной силы, зафиксированный в момент слияния этих черных дыр (изолированные черные дыры по определению не могут порождать гамма-всплески). И вот сейчас ресурс New Scientist опубликовал новые подробности на этот счет.

Ученые предполагают, что эти черные дыры могли пройти свой “жизненный путь” внутри одной огромной звезды. В момент их слияния звезда начала разрушаться, что и вызвало мощный всплеск гамма-излучения.

Отмечается, что для реализации этого сценария необходимо, чтобы формирование черных дыр происходило внутри огромной звезды размерами в несколько сотен Солнц. В момент исчерпания запасов ядерного топлива ядро звезды начинает разрушаться, в результате чего обычно образовывается черная дыра. Но при условии слишком большой скорости вращения звезды под воздействием центробежной силы коллапсирующее ядро может растянуться и превратится в некое подобие гантели, на концах которой сформируются две черные дыры.

Как обычно в таких случаях, данная теория требует дополнительных исследований и проверок.

Черные дыры в галактике Андромеды

Двадцать шесть кандидатов в черные дыры были найдены в галактике M31 в созвездии Андромеды. Это наибольшее число черных дыр, когда-либо найденных за пределами нашего Млечного Пути.

Исследование M31

Эти черные дыры, звездной массы, образуются в результате коллапса звезды-гиганта с массой в 5 — 10 раз больше чем Солнечная. Исследователи использовали более 150 наблюдений рентгеновского телескопа Чандра за 13 лет чтобы добиться этих результатов.

В этом, узкоугольном изображении Андромеды, содержатся оптические данные с телескопа Шмидта из обсерватории Китт-Пик в Аризоне.

Этот, комбинированный оптический снимок, составлен из разных диапазонов электромагнитного спектра. Вставка содержит данные рентгеновских наблюдения Чандры центрального региона Андромеды. Это вставка показывает, 28 из 35 кандидатов в черные дыры. Остальные семь кандидатов можно увидеть только в изображении с большим полем зрения.

Кандидаты

Семь, из 35 кандидатов в черные дыры, вращаются на расстоянии всего 1000 световых лет от центра M31. Это больше, чем число кандидатов, обладающих схожими свойствами, расположенных вблизи центра нашей галактики.

Это, однако, не удивляет астрономов, так как звезд в ядре Андромеды больше. Восемь из девяти кандидатов, которые были ранее идентифицированы, связаны с шаровыми скоплениями, распределенными около центра галактики. Это также вносит отличия между Андромедой и Млечным Путем. Астрономы до сих пор не могут найти похожие объекты в шаровых скоплениях Млечного Пути.