Учёные раскрыли загадку «лучей смерти» — испускаемых чёрными дырами струй высокоэнергетических частиц

С момента случайного обнаружения гамма-всплесков (джетов) в 1967 году американским военным спутником Vela учёные не прекращали гадать о природе подобных явлений. Позже выяснилось, что источником высокоэнергетических всплесков являются, в частности, чёрные дыры. Но однозначной трактовки события не было до недавнего времени, когда группа астрофизиков сообщила о фактах, подтверждающих одну из нескольких моделей ускорения джетов. Строго говоря, наибольшее распространение получили две теории ускорения джетов — видимых с Земли ярчайших вспышек во всех наблюдаемых диапазонах электромагнитных волн от рентгеновского до видимого и инфракрасного, а также в радиодиапазоне. Если бы такая вспышка возникла в нашей галактике и была направлена в нашу сторону, жизнь на Земле задуло бы как свечу во время урагана. К счастью, в галактиках они возникают крайне редко, и должно быть соблюдено непременное условие — энергетическая струя должна быть направлена на нас (собственно, в других случаях джеты банально не регистрируются). Согласно одной теории, ускорение джетов происходит в процессе изменений в магнитных полях — что-то похожее на электромагнитную линзу, которая придаёт высокоэнергетическим частицам дополнительное ускорение. Другая теория трактует ускорение частиц до околосветовых скоростей в процессе взаимодействия вещества в струе с окружающим чёрную дыру веществом. Это как с мойкой высокого давления, когда узкое сопло придаёт струе дополнительное ускорение. Выброшенные с полюсов чёрной дыры энергичные частицы сталкиваются с веществом или друг с другом, что придаёт им дополнительную энергию и ускоряет ещё сильнее.

Отметим, процесс возникновения струй (джетов) — это отдельный вопрос. Свою энергию джеты черпают из аккреционного диска — падающего на чёрную дыру вещества из окружающего пространства. Новое исследование касалось лишь вопроса ускорения частиц в струе до регистрируемых запредельных величин энергии. Загадку помог решить новый рентгеновский телескоп NASA IXPE, выведенный на орбиту 9 декабря 2021 года. Это первый в космосе инструмент, который способен измерять поляризацию рентгеновского излучения. Данные о поляризации дают возможность понять как и в каком направлении распространяются электромагнитные волны, что позволяет уточнять математические модели космических явлений.

С помощью телескопа IXPE астрофизики изучили рентгеновскую составляющую джета блазара Markarian 501 (галактика Маркарян 501 в созвездии Геркулеса). Этот объект — чёрная дыра в центре галактики — находится от нас на удалении 450 млн световых лет и ориентирован выбросом джета на Землю. Ранее поляризацию джета Маркарян 501 астрономы измерили для оптического диапазона и радиодиапазона.

Когда были добавлены новые данные о поляризации рентгеновского диапазона, выяснилось, что сильнее всего поляризация выражена именно в этом диапазоне, и она убывает по мере перехода к оптическому и радиодиапазону. Тем самым учёные обнаружили область, в которой происходит ускорение частиц струи — то самое «сопло», которое придаёт джету дополнительное ускорение.

Как показало моделирование, энергией для ускорения служит энергия ударной волны джета. Частицы струи начинают двигаться быстрее частиц окружающего вещества — подобное явление мы наблюдаем при преодолении сверхзвуковым самолётом звукового барьера — и образованная в процессе ударная волна придаёт частицам дополнительное ускорение и повышенную яркость во всех регистрируемых диапазонах.

«Это 40-летняя загадка, которую мы разгадали, — сказал Яннис Лиодакис (Yannis Liodakis), ведущий автор исследования и астроном из FINCA, Финского центра астрономии при ESO. — Наконец-то у нас есть все кусочки головоломки, и картина, которую они создают, ясна».

Это противоречит всем теориям: столкновение звезд создало объект, который не может существовать

Один гамма-всплеск, который был выпущен после столкновения нейтронных звезд, снова изменил представление ученых о том, как устроена Вселенная. Ученые изучили поток кратковременного излучения, называемый гамма-всплеском, который исходит при столкновении двух нейтронных звезд и обнаружили нечто невероятное. Оказалось, что вместо того, чтобы появилась черная дыра, как предполагают теории, появился массивный магнетар – нейтронная звезда с очень сильным магнитным полем. Но этот магнетар намного тяжелее, чем предельная масса для нейтронных звезд, то есть он просто не может существовать. И все же он находился в космосе, хоть и не долго, прежде чем превратится в черную дыру, пишет ScienceAlert. Астрономы наблюдали событие, которое противоречит всем существующим теориям. В результате столкновения двух нейтронных звезд появилась сверхмассивная нейтронная звезда с очень сильным магнитным полем. Но считается, что такое столкновение должно привести к мгновенному сжатию появившегося объекта в черную дыру под действием гравитации. Но магнетар существовал более суток, прежде чем полностью исчезнуть. По словам ученых из Университета Бата, Великобритания, такая сверхмассивная нейтронная звезда просто не может существовать так долго в космосе. Почему такое произошло остается загадкой.

Ученые изучили поток кратковременного излучения, называемый гамма-всплеском, который исходит при столкновении двух нейтронных звезд и обнаружили нечто невероятное. Оказалось, что вместо того, чтобы появилась черная дыра, как предполагают теории, появился массивный магнетар – нейтронная звезда с очень сильным магнитным полем

Нейтронные звезды представляют собой самые маленькие и самые плотные звезды во Вселенной. Они появляются в конце жизненного цикла многих звезд и представляют собой сферу диаметром примерно 20 км. Они настолько плотные, что, например, чайная ложка вещества здесь будет весить 1 млрд тонн.

Согласно теории, существует максимальный предел массы для нейтронных звезд, превышая который они превращаются в черные дыры. Такое событие, например, происходит во время их столкновения, когда две нейтронные звезды сливаются вместе на короткое мгновение, появляется очень массивная нейтронная звезда. Но она сразу же исчезает в черной дыре.

Хотя ученые спорят по поводу того, вызывает ли слияние нейтронных звезд мгновенное появление черных дыр, или все же на какие-то миллисекунды сначала появляется массивный объект, который затем превращается в черную дыру.

В рамках этого исследования ученые изучили короткий гамма-всплеск под названием GRB 180618A, который пришел к нам из галактики на расстоянии в 10,6 млрд световых лет. Эти потоки излучения исходят как раз от процесса слияния нейтронных звезд, в частности от процесса появления черной дыры. Но данные показали, что это излучение исходит все-таки от магнетара – нейтронной звезды с магнитным полем, сила которого превышает в 1000 раз силу магнитного поля обычной нейтронной звезды и в квадриллион раз больше, чем у Земли. И этот магнетар существовал в космосе невозможные 28 часов.

По словам ученых, они впервые в истории стали свидетелями такого события в космосе. Почему нейтронная звезда, которая должна была сразу же превратиться в черную дыру прожила больше суток, остается загадкой. Астрономы предполагают, что причина может скрываться в очень быстром вращении звезды и сильнейшем магнитном поле, что в совокупности на некоторое время предотвратило ее исчезновение.

Новое исследование показывает, что не всегда короткий гамма-всплеск является свидетельством появления черной дыры. Это излучение может выпускать и очень массивная нейтронная звезда, которая пусть и не долго, но все же может появиться в результате слияния двух меньших нейтронных звезд.

Астрономы обнаружили в центре карликовой галактики чёрную дыру в тот момент, когда она разорвала и поглотила звезду

Не обнаруженную ранее черную дыру заметили астрономы в другой галактике с помощью с помощью проекта Young Supernova Experiment (YSE), предназначенного для обнаружения космических взрывов и переходных астрофизических явлений. О существовании черной дыры узнали, когда она разорвала и поглотила звезду, подошедшую слишком близко. Это событие называется эпизодом приливного разрушения (TDE). В результате TDE произошла вспышка излучения такой мощности, что на время затмила все звезды в своей карликовой галактике DSS J152120.07+140410.5. Галактика находится на расстоянии 850 млн световых лет от Земли. Черная дыра, которая получила название AT 2020neh, имеет среднюю массу, поэтому обнаружить ее было бы непросто. «Это открытие вызвало всеобщее волнение, потому что мы можем использовать события приливных разрушений не только для обнаружения большего количества черных дыр промежуточной массы в тихих карликовых галактиках, но и для измерения их масс», — отметил соавтор работы Райан Фоули, доцент Калифорнийского университета в Санта-Круз. Сверхмассивные черные дыры находятся в центрах всех массивных галактик, не исключая Млечный Путь. Их масса, считают астрономы, в миллионы или миллиарды раз превышает массу Солнца.

 По одной из теорий, в ранней Вселенной было множество карликовых галактик с небольшими черными дырами. Позже галактики объединялись, и вместе с ними сливались и черные дыры, становясь сверхмассивными.

Результаты исследования опубликованы в Nature Astronomy.

У чёрных дыр обнаружены квантовые свойства — они одновременно имеют разную массу

Группа физиков из Университета Квинсленда провела компьютерное моделирование, которое теоретически обосновало наличие у чёрных дыр квантовых свойств. Учёные взяли самую легко вычисляемую и неотъемлемую характеристику чёрной дыры — её массу, и показали, что чёрная дыра может быть одновременно тяжёлой как миллионы солнц и лёгкой как атом. Совсем как легендарный кот Шрёдингера, который и жив и мёртв одновременно. Гипотезу о дискретных значениях масс чёрных дыр (точнее, допустимых диапазонов масс подобно наличию энергетических уровней электронных орбит), в своё время выдвинул американо-израильский физик-теоретик Яаков Давид Бекенштейн. Новое исследование во многом подтвердило его теорию — математически у чёрных дыр действительно оказался чётко выраженный диапазон допустимых масс. Но что более важно, теоретический эксперимент показал суперпозицию по массам. Проще говоря, чёрные дыры с точки зрения математики (которая никогда не ошибается), имеют разные массы одновременно. «Мы хотели выяснить, могут ли [чёрные дыры] одновременно иметь дико разные массы, и оказалось, что да, — сказал ведущий автор исследования Джошуа Фу (Joshua Foo), доктор физико-математических наук из Квинслендского университета. — До сих пор мы глубоко не исследовали, демонстрируют ли чёрные дыры некоторые из странных и удивительных свойств квантовой физики».

Если чёрные дыры обладают квантовыми свойствами в отношении масс, то им присущи и другие квантовые свойства. Звучит интригующе, ведь мы до сих пор были уверены, что пересечение мира субатомных частиц с его квантовой механикой невозможно с тем миром, который мы видим и осязаем вокруг себя тем или иным образом. Оказалось, хотя это пока только математика, макрообъекты потенциально могут быть одновременно и живы и мертвы, создавать квантовую запутанность и, как следствие, проявлять квантовую телепортацию.