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)
