What Are Black Holes?

A black hole is an astronomical object with a gravitational pull so strong that nothing, not even light, can escape it. A black hole's "surface," called its event horizon, defines the boundary where the velocity needed to escape exceeds the speed of light, which is the speed limit of the cosmos. Matter and radiation fall in, but they can't get out. Two main classes of black holes have been extensively observed. Stellar-mass black holes with three to dozens of times the Sun's mass are spread throughout our Milky Way galaxy, while supermassive monsters weighing 100,000 to billions of solar masses are found in the centers of most big galaxies, ours included. Astronomers suspect there's an in-between class called intermediate-mass black holes, weighing 100 to more than 10,000 solar masses, but they have not been conclusively observed to date. A stellar-mass black hole forms when a star with more than 20 solar masses exhausts the nuclear fuel in its core and collapses under its own weight. The collapse triggers a supernova explosion that blows off the star's outer layers. But if the crushed core contains more than about three times the Sun's mass, no known force can stop its collapse to a black hole. The origin of supermassive black holes is poorly understood, but we know they exist from the very earliest days of a galaxy's lifetime. Once born, black holes can grow by accreting matter that falls into them, including gas stripped from neighboring stars and even other black holes.

In 2019, astronomers using the Event Horizon Telescope (EHT) - an international collaboration that networked eight ground-based radio telescopes into a single Earth-size dish - captured an image of a black hole for the first time.

It appears as a dark circle silhouetted by an orbiting disk of hot, glowing matter. The supermassive black hole is located at the heart of a galaxy called M87, located about 55 million light-years away, and weighs more than 6 billion solar masses. Its event horizon extends so far it could encompass much of our solar system out to well beyond the planets.

Another first related to black holes came in 2015 when scientists first detected gravitational waves, ripples in the fabric of space as predicted a century earlier by Albert Einstein's general theory of relativity.

The waves were observed at the National Science Foundation's Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) detectors, located in Livingston, Louisiana, and Hanford, Washington. Their source was the merger of two orbiting black holes that spiraled into each other 1.3 billion years ago. Since then, LIGO and other facilities have observed numerous black hole mergers via the gravitational waves they produce.

These are exciting new methods, but astronomers have been studying black holes through the various forms of light they emit for decades. Although light can't escape a black hole's event horizon, the enormous tidal forces in its vicinity cause nearby matter to heat up to millions of degrees and emit radio waves and X-rays.

Some of the material orbiting even closer to the event horizon may be hurled out, forming jets of particles moving near the speed of light that emit radio, X-rays and gamma rays. Jets from supermassive black holes can extend hundreds of thousands of light-years into space.

NASA's Hubble, Chandra, Swift, NuSTAR, and NICER space telescopes, as well as other missions, continue to take the measure of black holes and their environments so we can learn more about these enigmatic objects and their role in the evolution of galaxies and the universe at large.

See our Black Hole Gallery for additional images, simulations and visualizations about black holes.

Ученые зафиксировали самые мощные гамма-всплески во Вселенной

Гамма-всплески считаются наиболее яростными взрывами во Вселенной, обычно всего за несколько секунд они выделяют больше энергии, чем наше Солнце за всю свою жизнь, а их яркое свечение достигает самых отдаленных уголков космоса. Астрофизики предполагают, что возникают они в результате образования нейтронных звезд или черных дыр. Ученые сообщают об обнаружении выбросов более 100 гигаэлектронвольт от двух гамма-всплесков, получивших обозначение GRB 190114C и GRB 180720B по дате их фиксации. Источник первого расположен на расстояния примерно 4,5 миллиарда световых лет от нас, а второго – в 6 миллиардах световых лет. Ученые предполагают, что фотоны рассеиваются электронами, увеличивая их энергию, в процессе, известном как обратное комптоновское рассеяние.

Астрономы нашли галактику сразу с тремя сверхмассивными черными дырами

Международная исследовательская группа из университетов Геттингена и Потсдама обнаружила, что галактика NGC 6240 содержит сразу три сверхмассивные черные дыры. Уникальные наблюдения проведенные учеными показали, что черные дыры расположены очень близко друг к другу в ядре галактики. Данное исследование проливает свет на процесс образования крупнейших галактик во Вселенной. Массивные галактики, вроде Млечного Пути, обычно состоят из сотен миллиардов звезд и одной черной дыры с массой от нескольких миллионов до нескольких сотен миллионов солнечных масс в своем центре. Но в NGC 6240 совсем другая история - она ​​известна как неправильная галактика через свою причудливую форму. Галактическая система, находящаяся от нас на расстоянии около 300 000 000 световых лет - очень близко по космическим меркам - была детально изучена во всем волновом диапазоне и до сих пор считается образцом взаимодействия галактик. Ученые давно предполагали, что она появилась в результате слияния двух небольших галактик, и поэтому содержит в своем ядре две черные дыры. Эти галактики движутся навстречу друг другу на скорости в несколько сотен км / с и все еще находятся в процессе слияния. Последние исследования позволили сделать удивительный вывод - оказывается, в галактическом центре находится не две, а три сверхмассивных черных дыры. «Благодаря нашим наблюдением мы смогли доказать, что в галактической системе NGC 6240 расположены не две, как предполагалось ранее, а три сверхмассивные черные дыры в ее центре», - сообщает ведущий автор исследования профессор Вольфрам Коллачни из Геттингенского университета.

Каждая из трех черных дыр имеет массу более 90000000 Солнц. Они расположены в пространстве шириной менее 3000 световых лет, то есть менее чем в одну сотую общего размера галактики. «До сих пор никто не находил такой концентрации сверхмассивных черных дыр во Вселенной», - добавляет доктор Питер Вейльбахер из Потсдамского астрофизического института Лейбница.

Открытие этой тройной системы имеет фундаментальное значение для понимания эволюции галактик. До сих пор не было возможности даже представить, как крупнейшие и самые мощные галактики были сформированы за предыдущие 14000000000 лет - примерный возраст нашей Вселенной.

«Если процессы слияния нескольких галактик происходили одновременно, то наибольшие галактики с их центральными сверхмассивными черными дырами, развивались гораздо быстрее, - резюмирует Питер Вайльбахер. - Наши наблюдения дают первое подтверждение такому сценарию ».

Для уникальных высокоточных наблюдений галактики NGC 6240 использовался 8-метровый телескоп VLT, установленный на горе Серро-Параналь в Чили, в Паранальский обсерватории, а также трехмерный спектрограф MUSE. Благодаря сложной технологии, изображения получаются с резкостью, аналогичной космическому телескопу Хаббл, но дополнительно содержат спектр для каждого пикселя. Эти спектры и стали решающими для определения движения и масс сверхмассивных черных дыр в NGC 6240.

Астрономы обнаружили трио черных дыр в процессе слияния (ФОТО)

Эти черные дыры находятся в центре "тройной" галактики, расположенной за миллиард световых лет от нас. Система галактик SDSS J084905.51 + 111447.2 обнаружена и зафиксирована различными телескопами, - пишет Space.com. В центре этой системы обнаружено трио сверхмассивных черных дыр в процессе слияния вместе. "Обычно мы ищем пары, но благодаря технике отбора наткнулись на эту головокружительную систему", - говорит ключевой автор исследования, Райан Пфайфл из университета штата Вирджиния. Обнаружить ее было непросто. Началось с телескопа Sloan Digital Sky Survey (SDSS), который сканирует небо, в Нью-Мехико. Он зафиксировал эту систему в оптическом свете. Впоследствии волонтеры, которые просматривают подобные изображения (их много), обозначили систему как возможное место слияния разных галактик. Впоследствии на нее посмотрели через инфракрасный свет - он излучает в больших количествах на стадиях слияния, где супермассивные черные дыры быстро впитывают материал. Впоследствии проверили в рентгене и снова в оптическом свете. Обсерватория Chandra X-ray, принадлежащей NASA, обнаружила мощные источники рентгеновского излучения у каждого из центров галактик, которые сливаются - и это показало, что здесь не превышает и поглощается много газа и пыли. Это знак наличия черных дыр.

Nuclear Spectroscopic Telescope Array, а затем Large Binocular Telescope в Аризоне также подтвердили, что все три черные дыры сейчас активны.

Каждый телескоп дает новые указания на то, что происходит в системах. Ученые надеются, что на основе этого опыта начнут проявлять новые "трио", а не только "дуэты" черных дыр в галактиках, сливающиеся между собой.

NASA показало искривление пространства-времени вблизи черной дыры (ВИДЕО)

NASA наглядно показало, что имел в виду Альберт Эйнштейн, когда утверждал, что сильнейшая гравитация черной дыры искривляет пространственно-временной континуум. Компьютерная визуализация опубликована на сайте космического агентства. В мае 2019 года международная команда ученых получила первое изображение “тени” черной дыры. Это достижение было отмечено премией Breakthrough prize. Теперь специалисты NASA смоделировали, как будут выглядеть будущие изображения черных дыр, когда их можно будет заснять в высоком разрешении. Черный круг в центре изображения — это горизонт событий, область, после попадания в которую свет, радиоволны, рентгеновские лучи и др. уже не могут вырваться наружу. Вращающееся оранжевое кольцо — это аккреционный диск, облако материала, окружающего черную дыру. Из-за интенсивного давления при приближении к черной звезде этот материал нагревается и излучает свет — до тех пор, пока не достигает точки невозврата и не исчезает навсегда. При этом сильная гравитация черной дыры искажает свет, из-за чего он “растекается”, как отражение в кривом зеркале. Горизонт событий очерчен так называемым фотонном кольцом. Его образует свет, исходящий от части аккреционного диска за черной дырой, но гравитация так сильна, что деформирует пространство-время даже вне горизонта событий.

Можно заметить, что одна сторона аккреционного диска ярче другой. Это связано с релятивистским эффектом Доплера: в космосе материя, движущаяся с огромной скоростью в нашу сторону, из-за изменения длины электромагнитных волн выглядит ярче, чем та, что удаляется от нас.

From primordial black holes new clues to dark matter

Moving through cosmic forests and spider webs in deep space in search of answers on the origin of the Cosmos. "We have tested a scenario in which dark matter is composed by non-stellar black holes, formed in the primordial Universe" says Riccardo Murgia, lead author of the study recently published in Physical Review Letters. The research was carried out together with his colleagues Giulio Scelfo and Matteo Viel of SISSA - International School for Advanced Studies and INFN - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Trieste division) and Alvise Raccanelli of CERN. Primordial black holes (PBH for cosmologists) are objects that formed just fractions of a second after the Big Bang, considered by many researchers among the principal candidates in explaining the nature of dark matter, above all following direct observations of gravitational waves by the VIRGO and LIGO detectors in 2016. "Primordial black holes remain hypothetical objects for the moment, but they are envisaged in some models of the primordial universe" underlines Raccanelli of CERN. "Initially proposed by Stephen Hawking in 1971, they have come back to the fore in recent years as possible candidates for explaining dark matter. It is believed that this accounts for approximately 80% of all matter present in the Universe, so to explain even just a small part of it would be a major achievement. Not only, but looking for evidence of the existence of PBHs, or excluding their existence, provides us with information of considerable relevance on the physics of the primordial universe."

Cosmic forests and spider webs
In this work, the scientists have concentrated on the abundance of PBHs that are 50 times larger than the solar mass. In short, the researchers have tried to better describe several parameters linked to their presence (specifically mass and abundance) by analysing the interaction of the light emitted from extremely distant quasars with the cosmic web, a network of filaments composed of gas and dark matter present throughout the Universe.

Within this dense weave, the scholars have concentrated on the "Lyman-alpha forest", namely the interactions of the photons with the hydrogen of cosmic filaments, which presents characteristics closely linked to the fundamental nature of dark matter.

Between supercomputers and telescopes
Simulations carried out using the Ulysses supercomputer of SISSA and ICTP have been able to reproduce the interactions between photons and hydrogen and they have been compared with "real" interactions, detected by the Keck telescope (in Hawaii). The researchers were then able to trace several properties of primordial black holes to understand the effects of their presence.

"We used a computer to simulate the distribution of neutral hydrogen on sub-galactic scales, which manifests itself in the form of absorption lines in the spectra of distant sources," continues Murgia.

"Comparing the results of our simulations with the data observed, it is possible to establish limits on the mass and abundance of primordial black holes and determine whether and to what extent such candidates can constitute dark matter."

The results of the study seem to disadvantage the case that all dark matter is composed of a certain type of primordial black holes (those with a mass greater than 50 times that of the sun) but they do not totally exclude that they could constitute a fraction of it.

"We have developed a new way to easily and efficiently explore alternative scenarios of the standard cosmological model, according to which dark matter would instead be composed of particles called WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles)".

These results, important for the construction of new theoretical models and for the development of new hypotheses about the nature of dark matter, offer much more precise indications for tracing the intricate path to understanding one of the largest mysteries of the cosmos.

Откуда берутся сверхмощные черные дыры?

Канадские астрономы Западного университета в Онтарио выяснили, как возникают сверхмассивные черные дыры. Благодаря механизму происхождения в очень ранней Вселенной, объекты были на активной стадии роста. В сравнении с обычными черными дырами, сверхмассивные — не возникают из-за вспышки сверхновой. Пока неизвестны точные причины их возникновения. Специалисты решили задачу, которая возникает с пределом Эддингтона. Последний накладывает ограничения на скорость поглощения (аккреции) вещества черной дырой. Масса миллиарда солнц вмещается в сверхмассивные черные дыры. Предполагалось, что рост объектов происходит в коротком промежутке времени — 800 млн лет (с момента возникновения Вселенной). Когда темпы аккреции очень большие, то происходит давление излучения в диске. В свою очередь диск образует вокруг черной дыры, интенсивное истечение вещества прочь из гравитационного поля. По теории, прямому коллапсу с происхождением черных дыр поддавались облака межзвездного газа. На ранних стадиях развития Вселенной создавались особенные условия. В результате некоторые облака коллапсировали лишь в то время, когда их общая масса становилась равной массе 100 тысяч Солнц. Вследствие сжатия появлялись короткоживущие квазизвезды, а после них крупные черные дыры, становившиеся зачатком для более массивных.

После прямого коллапса дыры стали очень активно «есть» вещество вокруг себя. В то время как скорость поглощения на некоторый период, примерно на 150 миллионов лет, становилась супер-Эддингтоновской. Это означает — большая часть вещества пропадала за горизонтом событий. Она ничего такого не излучала, что могло нарушить аккрецию. Позже в результате этого, излучение от ближайших звезд и других черных дыр остановило супер-Эддингтоновскую аккрецию.

Телескоп сфотографировал пылевой "пончик" вокруг сверхмассивной черной дыры

Радиотелескоп VLA получил первые изображения пылевого ореола в форме пончика, окружающего сверхмассивную черную дыру в центре одной из самых мощных радиогалактик во Вселенной. Об этом пишет National Radio Astronomy Observatory. Черная дыра, масса которой в 2,5 миллиардов раз превышает массу Солнца, находится в радиогалактике Лебедь А. По мере того как мощное гравитационное притяжение черной дыры притягивает окружающую материю, оно также выбрасывает наружу потоки материи почти со скоростью света, создавая впечатляющие "лепестки" яркого радиоизлучения. Радиогалактика Лебедь А расположена на расстоянии 760 млн световых лет от Земли - в 10 раз ближе, чем любая другая, обладающая сравнительно мощным радиоизлучением. Такое сравнительно близкое расстояние позволило получить первые четкие изображения газо-пылевого "пончика" вокруг черной дыры. По словам Крис Карилли из Национальной радиоастрономической обсерватории США, чтобы определить форму точнее, придется провести дальнейшие наблюдения. Например, задействовать радиотелескоп ALMA, который может распознавать непосредственно пыль.

Джекпот! Ученые открывают 300000 новых далеких галактик

Астрономы обнаружили сотни тысяч прежде неизвестных науке галактик, сообщается в нескольких новых исследованиях. Этот гигантский набор данных позволит исследователям глубже понять рождение и рост сверхмассивных черных дыр (СМЧД), эволюцию столкновений между скоплениями галактик и многие другие космические события, считают члены научной команды, совершившей это открытие. Эта команда состоит из более чем 200 астрономов из 18 стран, которые совместно анализируют данные, собранные в рамках первого этапа обзора неба, проводимого при помощи сети радиотелескопов Low Frequency Array (LOFAR), управление которой осуществляет Нидерландский институт радиоастрономии (известный как ASTRON). Большинство телескопов сети LOFAR находятся на территории Нидерландов, однако система охватывает также многие европейские страны, включая Германию, Францию и Соединенное Королевство. Исследователи открыли и нанесли на карты 300000 радиоисточников, почти все из которых, как указывают ученые, являются экстремально далекими галактиками. Основным источником наблюдаемого радиоизлучения являются джеты стремительно движущегося материала, удаляющегося со стороны СМЧД, расположенных в центрах этих галактик.

Эти новые наблюдения также позволяют глубже понять процессы столкновения между скоплениями галактик. Эти гигантские столкновения приводят к ускорению частиц, находящихся в космосе, до сверхвысоких скоростей, в результате чего формируются зоны радиоизлучения протяженностью в миллионы световых лет.

Однако и это еще отнюдь не все результаты, полученные исследователями при проведении этой работы.

«Система LOFAR показывает нам, что в некоторых случаях скопления галактик, которые не находятся в процессе слияния, также могут испускать такое излучение, хотя уровень его интенсивности при этом оказывается значительно ниже – настолько низким, что мы не могли его зарегистрировать ранее, - рассказала Аннализа Бонафеде (Annalisa Bonafede), член научной группы из Болонского университета, Италия. – Это открытие говорит нам о том, что помимо столкновений между скоплениями галактик есть и другие космические события, которые могут приводить к разгону частиц до сверхвысоких скоростей».

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.

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.

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.