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.

Гравитационные волны, формируемые черными дырами в центрах галактик

Гравитационные волны могут формироваться в центрах галактик, сообщается в новом исследовании, проведенном группой ученых под руководством Джозефа Фернандеса (Joseph Fernandez) из Ливерпульского университета имени Джона Мурса, Великобритания. Гравитационные волны представляют собой мелкую рябь пространства-времени, распространяющуюся по Вселенной. Когда во Вселенной сталкиваются два массивных объекта, таких как черные дыры или нейтронные звезды, происходит формирование гравитационных волн, расходящихся в стороны от места столкновения. Этот феномен был предсказан Альбертом Эйнштейном в 1915 г. Амплитуда этих изменений согласно прогнозам должна была быть настолько крохотной, что Эйнштейн даже не рассчитывал обнаружить гравитационные волны. Однако в 2015 г., спустя сто лет после того, как был сделан этот прогноз, ученые впервые смогли наблюдать гравитационные волны напрямую. Обнаруженные гравитационные волны исходили со стороны пары черных дыр звездных масс (примерно по 30 масс Солнца каждая), которые упали друг на друга и в конечном счете объединились.

С того времени ученые обнаружили еще 4 события слияния черных дыр, однако наука до сих пор не приблизилась к пониманию механизмов, заставляющих черные дыры сближаться настолько, что становится возможным формирование гравитационных волн.

В новой работе команда Фернандеса показывает, что сверхмассивная черная дыра (СМЧД), лежащая в центре галактики, может изменить орбиты компонент двойной звездной системы так, что окажется возможным приведение компонент системы в очень тесный контакт, и продолжительность их обращения друг относительно друга перед слиянием будет в 100 раз ниже, чем в отсутствие такого искажения орбит со стороны СМЧД. Этого может оказаться достаточно, чтобы двойная система успела за время существования нашей Вселенной достичь фазы слияния компонент, считают Фернандес и его коллеги.

Исследование было представлено 3 апреля на Европейской неделе астрономии и наук о космосе, проходившей в Ливерпуле, Великобритания.

Необъяснимые свойства черной дыры

Одним из самых загадочных явлений во Вселенной уже полсотни лет остаются черные дыры. Мы точно не знаем, откуда они взялись и зачем они нужны, однако ученые твердо уверены: решение загадки черных дыр станет тем днем, когда человечество подчинит себе весь космос. Пока же физики могут только предполагать, зачем именно эти невероятные образования «пожирают» звезды и как им удается изменять время.

Творцы

Черные дыры создают новые вселенные. Скорее всего. Такую теорию активно продвигают физики в последний год, а первым эту странную идею высказал Стивен Хокинг. Дело в том, что сингулярность черных дыр нарушает существующие физические законы, а значит их деятельность регулируется в других вселенных. Тех, которые сами дыры и порождают.

Исчезновение

Ученые не могут понять, как именно пропадают черные дыры. Тот же Хокинг еще в 1974 году выяснил, что со временем черная дыра пропадает в окружающем пространстве — но куда она девается никто не понимает.

Замедление времени

Еще одна необъяснимая особенность этих странных космических образований заключается в их способности замедления течения самого времени. Теоретически, у самого горизонта событий черной дыры время для космонавта будет двигаться так быстро, что он может переместиться в будущее.

Контроль населения

Формирование звезды происходит, когда остывает газовое облако. Но излучение черной дыры не дает облакам остывать и тем самым регулирует количество существующих во вселенной звезд. Физики считают, что в этом и может быть практическое назначение черных дыр.

Они громкие

В конце 2003 года астрономы «услышали» странный шум, исходящий от огромной черной дыры в 250 миллионах световых лет от нас. Сейчас предполагается, что черная дыра издает звуки, преобразовывая вещество в энергию.

Источник энергии
Самые смелые физики утверждают, что когда-нибудь человечество научится использовать черные дыры в качестве неиссякаемого источника энергии. Преобразование атомов в субатомные частицы и в самом деле выделяет в пятьдесят раз больше энергии, чем известный нам ядерный синтез.

Игра в бисер

Наш мир немного напоминает конструкторы Lego: все в нем создано из одних и тех же деталей — атомов. Но без черных дыр, которые буквально разбирают материю на составные части, не было бы и субатомных элементов, из которых рождаются звезды. По сути, черная дыра — господь бог в интерпретации физиков.

Скорость вращения черной дыры является "регулятором громкости" ее радиоизлучения

Группа исследователей из Национальной астрономической обсерватории Японии, проведя статистический анализ данных о черных дырах, выяснила, что значение скорости вращения черной дыры играет одну из главных ролей в процессе формирования мощных высокоскоростных потоков материи, излучающих радиоволны и другие виды радиации в окружающее космическое пространство. Известно, что черные дыры поглощают свет и все другие формы излучения, что делает невозможным их прямое обнаружение. Однако, огромная гравитация черных дыр, которая зависит от их размеров и массы, производит сильные вторичные эффекты. Материя, которая приближается к горизонту событий черной дыры, измельчается и разогревается до высокой температуры, излучая в пространство огромное количество энергии. Эта энергия превращает окрестности черных дыр в самые яркие объекты во Вселенной, в так называемые "квазизвездные радио-источники" или квазары.

Однако, употребление термина квазар по отношению ко всем черным дырам не совсем верно, ведь всего 10 процентов известных квазаров излучают сильные потоки радиоволн. Сейчас ученым известно, что источником "громкости" таких квазаров является часть материи, которой удалось избежать поглощения черной дырой. Эта материя извергается в космос в виде высокоскоростных потоков, джетов, которые берут свое начало в районе полюсов черной дыры. Однако ученым еще не до конца понятно, почему джеты возникают у одной черной дыры, и их не наблюдается у другой черной дыры, имеющей сопоставимые размеры и массу.

Японские исследователи выдвинули предположение, что скорость вращения черной дыры может играть ключевую роль в процессах формирования джетов. Проведя анализ имеющихся данных, касающихся 8 тысяч известных квазаров, ученые определили концентрацию ионов кислорода [O III] в пространстве возле черной дыры и в окружающем ее диске материи. Концентрация ионов кислорода некоторым образом связана с массой и скоростью вращения черной дыры, и она оказалась в 1.5 раза выше у "громких" квазаров, чем у квазаров, не излучающих сильные радиоволны.

"Конечно, наш подход основан на некоторых ключевых предположениях. И это подразумевает, что вращение черных дыр может являться далеко не единственным фактором для дифференцирования радио-громких и радио-тихих квазаров" - пишут исследователи, - "Тем не менее, полученные нами результаты говорят о том, что скорость вращения нельзя исключать из уравнения, которое определяет "громкость" этих огромных космических монстров".

Ученые считают, что Вселенная «находится» в черной дыре

В ученом сообществе появилась новая гипотеза, согласно которой наша Вселенная может находиться внутри гигантской черной дыры. Природа сверхмассивных черных дыр до конца не изучена. Именуемые в узких кругах специалистов как область пространства-времени гигантские ЧД породили множество догадок и предположений. Например, некоторые эксперты уверены, что эти объекты не что иное, как «двери» в другие миры. Однако эти рассуждения не возникли на пустом месте. Известно, что плотность сверхмассивных черных дыр очень низкая. Так, черная дыра в центре Млечного Пути по плотности меньше чем вода, а гигантская ЧД в центре галактики NGC 4889 в созвездии Волосы Вероники уступает по плотности воздуху. Низкая плотность черных дыр обусловлена гравитационным радиусом, который у этих объектов прямо пропорционален массе. Это значит, что чем массивней черная дыра, тем больше она похожа на призрака.

Данную закономерность можно наблюдать и при сравнении гравитационного радиуса и плотности Вселенной. Но специалисты отмечают, что один этот вывод не является доказательством того, что мы живем внутри сверхмассивной ЧД.

Теперь мы можем предсказать, когда нейтронная звезда родит черную дыру.

Нейтронная звезда — это одна из самых мощных, загадочных и, если честно, страшных вещей во Вселенной. Состоящая из нейтронов чуть менее, чем полностью, без чистого электрического заряда, она является заключительным этапом в жизненном цикле гигантской звезды, рожденной в огненных взрывах сверхновых. Они также представляют собой одни из самых плотных объектов во Вселенной, что зачастую приводит к тому, что они становятся черными дырами.

Некоторое время астрономы не понимали этот процесс, не зная, где или даже когда нейтронная звезда может пройти эту окончательную трансформацию. Но благодаря недавнему исследованию, проведенному группой ученых из Университета Гете во Франкфурте, Германия, теперь может стать возможным определение абсолютной максимальной массы, которая нужна нейтронной дыре для коллапса с последующим рождением черной дыры.

Как и все остальное, связанное с нейтронными дырами, процесс, который превращает их в черные дыры, совершенно непонятен для астрономов и часто вызывает восхищение пополам с недоумением. Масса самых плотных объектов во Вселенной не может расти неограниченно — любое увеличение массы должно приводить к увеличению плотности.

Как правило, этот процесс приводит к тому, что нейтронная звезда достигает нового состояния равновесия, либо к тому, что невращающаяся нейтронная звезда начинает вращаться. Последний эффект позволяет ей оставаться стабильной дольше, так как дополнительная центробежная сила помогает сбалансировать интенсивную гравитационную работу в недрах звезды.

Но даже этот процесс не может длиться вечно. Профессор Лучано Рецолла из Университета Гете говорит следующее:

«Если звезда не вращается, эту [предельную] массу несложно рассчитать, и называется она максимальной невращающейся массой, или M_TOV. Но это не самая большая возможная масса, поскольку если звезда вращается, она может выдержать большую массу, чем невращающаяся звезда. Впрочем, даже в этом случае есть ограничение в виде ограниченной массы, которую может иметь звезда при вращении, прежде чем будет разорвана центробежной силой. Следовательно, абсолютная и самая большая масса, которую может набрать нейтронная звезда, известна как «максимальная масса максимально вращающейся конфигурации», или M_max. Это самая большая возможная масса самой быстро вращающейся модели. Представьте, что вы создали такую модель: если вы добавите к ней один атом, она коллапсирует в черную дыру, а если раскрутите чуть больше, то разорвется на части».

По мере того как нейтронные звезды накапливают массу, скорость их вращения увеличивается; и здесь тоже есть предел. Рано или поздно нейтронная звезда достигнет максимальной массы и неизбежно коллапсирует в черную дыру. К сожалению, в прошлом астрономы не могли определить значение этой предельной массы.

Причина этому в том, что такая максимальная величина зависит от уравнения состояния вещества, составляющего звезду. Это уравнение описывает термодинамическое состояние вещества при заданном наборе физических условий — температуры, давления, объема или внутренней энергии. И хотя астрономы убедились с определенной долей вероятности, какой должна быть максимальная масса невращающейся звезды, они не смогли рассчитать максимальную массу для звезд, которые вращаются.

Короче говоря, они не смогли определить, какая масса необходима вращающейся нейтронной звезде, чтобы превзойти максимальную скорость вращения и сформировать новую черную дыру.

«Отчего в прошлом было сложно рассчитать M_max, — объясняет Рецолла, — так это оттого, что ее значение отличалось в зависимости от того, что составляет нейтронную звезду, а этого мы действительно не знаем. Вещество нейтронной звезды настолько отличается от того, что мы знаем, что мы можем лишь предполагать; к сожалению, предположений тоже очень много. Так что получались разные значения».
Но в своем исследовании под названием «Максимальная масса, момент инерции и компактность релятивистских звезд», которое появилось в ежемесячных заметках Королевского астрономического общества, Рецолла и Козима Брю из Университета Гете утверждают, что теперь стало возможным вывести максимальную массу быстро вращающейся звезды.

В своем исследовании Рецолла и Брю опирались на недавнюю работу астрономов, которые показали, что можно выразить свойства звездных равновесных конфигураций, которые не зависят от конкретного уравнения состояния их массы. Короче говоря, эти исследования показали, что могут быть «универсальные уравнения», если говорить о равновесии звезд.

В результате они смогли показать, что можно предсказать максимальную массу быстро вращающейся нейтронной звезды, просто принимая во внимание максимальную массу нейтронной звезды в соответствующей невращающейся конфигурации. Однако даже с учетом доступных данных, отмечает Рецолла, нужен был свежий взгляд:

«Универсальные отношения просто утверждают, что объекты, которые очевидно отличаются, имеют много общего. К примеру, хотя мы отличаемся от других млекопитающих, скажем, свиней, наш геном имеет огромное количество общих черт, потому что мы синтезируем те же белки, дышим тем же воздухом и так далее. И значит, если мы поймем, как работает гемоглобин у одних млекопитающих, это можно применить к намного большему их числу. В случае с нейтронными звездами все указывает на то, что применимо универсальное отношение между M_max и M_TOV. Если точно, мы выяснили, что M_max = 1,203 +- 0,022 M_TOV».
Выводы ученых, вероятно, будут иметь интересные последствия для будущих астрономических исследований. Для начала знание максимальной массы нейтронной звезды будет полезно для анализа сигналов гравитационных волн, произведенных нейтронными звездами, что позволит астрономам извлекать информацию из этого уравнения состояния до того, как объект коллапсирует в черную дыру.

Кроме того, это будет полезно для определения момента инерции нейтронных звезд, то есть для выяснения массы, необходимой для начала вращения звезды. Ученые смогут с большей точностью знать, когда нейтронная звезда начинает вращаться, и с большей точностью прогнозировать, останется ли она вращаться или коллапсирует в черную дыру. Прогнозировать место появления черных дыр — весьма полезная затея. Можно считать это еще одним шагом к пониманию того, как работает наша загадочная и грандиозная Вселенная.

Джеты далекой черной дыры показались в свечении ранней Вселенной

Рентгеновская обсерватория NASA "Чандра" обнаружила мощный джет, посланный черной дырой, когда возраст Вселенной составлял всего 2,7 млрд лет. В тот период жизни ранней Вселенной формировались сверхмассивные черные дыры, выбрасывающие мощные струи джетов в пространство.

При помощи космического телескопа "Чандра", просматривающего космос в рентгеновском диапазоне, ученым NASA удалось рассмотреть джет сверхмассивной черной дыры, которая выпустила струю материи в пространство на заре формирования Вселенной. На тот момент Вселенная прожила всего пятую часть ее современного возраста, хотя остаточное излучение было достаточно интенсивным, сообщается в официальном пресс-релизе NASA.

Джет был замечен на удалении как минимум в 300 тысяч световых лет от Земли, данное излучение является одним из старейших, которое когда-либо могли наблюдать земные телескопы. В настоящий момент астрофизики продолжают исследовать процесс излучения джетами х-лучей, однако понятно ученым одно, что струи электронов путешествуют со скоростью света за сотни тысяч световых лет, чтобы донести до Земли свет далекой черной дыры.

В первые несколько миллиардов лет после Большого взрыва Вселенная была наполнена космическим микроволновым фоновым излучением большей интенсивности, чем сегодня. Обычно реликтовое излучение удается поймать только радиотелескопом, отмечают ученые. Изучение подобных реликтовых джетов может рассказать ученым о процессе эволюции черных дыр за миллиарды лет пути.