Что такое радиус Шварцшильда и как он связан с чёрными дырами?
В математическом смысле всё что угодно может стать чёрной дырой, но при условии, что есть возможность сжать объект до достаточно малых размеров, при этом сохранив его массу. Всё во Вселенной имеет так называемый гравитационный радиус или радиус Шварцшильда. Это радиус сферы, до которого нужно сжать объект, сконцентрировав всю его массу в столь малом объёме, что его плотность станет настолько большой, а его гравитационное поле станет так велико, что даже свет не сможет избежать притяжения этого объекта. Размер чёрной дыры, а точнее — радиус сферы Шварцшильда пропорционален массе звезды. А поскольку астрофизика никаких ограничений на размер звезды не накладывает, то и чёрная дыра может быть сколь угодно велика.
Как получилось, что в центре крупных галактик встречаются чёрные дыры?
Из множества миллиардов галактик, составляющих наблюдаемую Вселенную, более миллиона уже были проанализированы. В центрах многих крупных галактик присутствуют чёрные дыры. Как так вышло? Чтобы понять это, нужно вернуться к самому началу — к Большому взрыву. Материя и энергия вырываются наружу и Вселенная начинает расширяться. Именно Большой взрыв даёт нам все компоненты для рождения: водород, гелий и другие элементы.
В течение десятков миллионов лет облака водорода сливались, становясь всё плотнее. Некоторые становятся такими горячими, что воспламеняются. Рождаются первые звёзды — гиганты, размером в сотни раз превышающие наше Солнце. Они быстро выгорают и взрываются, образуя вспышку сверхновой. Более крупные галактики поглощают более малые галактики, и если одна галактика съедает другую, в центре которой была чёрная дыра, значит она съедает и эту чёрную дыру. Она перемещается в центр новой галактики, делая её больше.
Как рождаются чёрные дыры?
Чёрные дыры возникают из огромных звёзд, известных как красные гиганты. Они в разы тяжелее нашего Солнца, но полностью выгорают всего за небольшой отрезок их жизни. Гравитационная сила такой звезды заставляет температуру подниматься выше миллиарда градусов. Гелий и углерод переплавляются в более тяжёлые элементы, а затем звезда сжимается и взрывается под тяжестью своей огромной гравитации, распространяя вокруг себя ударную волну.
Происходит взрыв со вспышкой сверхновой звезды. На её месте остаётся плотное ядро из субатомных частиц — нейтронная звезда либо чёрная дыра, диаметром всего несколько километров. Но его плотность настолько огромна, что чайная ложка, сделанная из такого материала, будет весить около миллиарда тонн. Гравитационное притяжение вырастет до таких пределов, что уже ничто не сможет вырваться оттуда.
Активность сверхмассивных чёрных дыр
Большинство гигантских черных дыр ведут себя очень спокойно, ничем себя не выдавая. Малая же часть их — это феерические обжоры, которые шумно поедают материю, затягивая в свои бездонные глотки всё, что попадается им на пути. Невероятная гравитация затягивает сюда по спирали пыль и газ, и это вещество, погибая, испускает огромное количество излучения во всех частях электромагнитного спектра.
Эллиптическая галактика Лебедь А находится в 600 миллионах световых лет от нас. Это ближайшая к нам галактика, в центре которой находится активная чёрная дыра.
Черная дыра лебедь x-1
Естественно, она вызывает повышенный интерес научного сообщества. Не так давно были опубликованы результаты исследования, в ходе которого астрономы попытались выяснить, как активные галактики вроде Лебедя А генерируют вокруг себя «торы» — похожие на пончики газопылевые образования.
С помощью новейшей камеры учёным удалось впервые засечь инфракрасное излучение, испускающееся окружающим галактику тором. Эти данные впоследствии использовались, чтобы проследить за поведением магнитных полей Лебедя А.
До того как были получены результаты этого исследования, астрономы в качестве силы, кормящей чёрную дыру, рассматривали, по большому счёту, только её гравитацию. Теперь же мы знаем, что не последнюю роль в этом процессе играет и электромагнетизм. В ходе дальнейшего изучения Лебедя А и других галактик, как активных, так и нет, астрономы надеются понять природу взаимоотношений между чёрными дырами и магнитным полями.
Параллельно, возможно, удастся понять, почему такое мизерное количество сверхмассивных чёрных дыр ведёт себя активно.
Структура и особенности
Эллиптическая галактика Мессье 87 входит в Скопление Девы, не имеет плоского диска, сферичной формы. Является второй по яркости и одной из крупнейших галактик в Скоплении. Диаметр галактики равен примерно 120 000 световых лет, что близко к диаметру Млечного Пути. Однако, в силу своей сферичной формы масса галактики M87 может превышать массу нашей Галактики в 200 раз.
Данная эллиптическая галактика содержит триллион звезд и 12 000 шаровых скоплений. Примечательно, что в Млечном Пути шаровых скоплений не более 200. Также исследователи именно здесь впервые обнаружили шаровое скопление, движущееся со сверхскоростью (HVGC-1), которое вылетает из галактики. Возможно ранее в центре галактики Мессье 87 проживали две сверхмассивные черные дыры, что и вызвало подобное движение скопления.
Гигантское гало галактики M87
Но ведь ничто не движется быстрее, чем скорость света?!
Но это невозможно. Ничто не движется быстрее, чем скорость света. Это, безусловно, правда, поэтому должна быть еще какая-то причина.
Эта причина еще называется «сверхсветовое движение».
Сверхсветовое движение включает в себя скорость объекта и его путь относительно нашей прямой видимости. Когда объект, в данном случае струя материала, движется со скоростью, близкой к скорости света, и близко к нашему лучу зрения, он создает иллюзию, называемую сверхсветовым движением.
Это происходит потому, что сама струя материи движется почти так же быстро, как и свет, который она генерирует. Поскольку струя M87* направлена почти прямо на нас, она генерирует эти кажущиеся невозможными скорости.
Сверхсветовое движение
Астрономы видели эти струи, движущиеся с такими скоростями раньше, но никогда в рентгеновском свете. Это означает, что они никогда не были уверены, что сами скопления материи движутся со скоростью света на 99%. Это могли быть ударные волны, а не сгустки.
Струя из M87* движется по спирали вокруг магнитного поля, и это помогло выяснить скорость струй. В ходе рентгеновских наблюдений группа исследователей увидела, что объект с самой высокой наблюдаемой скоростью — в 6,3 раза больше скорости света — исчез более чем на 70 процентов в период между 2012 и 2017 годами.
Затухание происходило только в рентгеновских лучах, а не в оптическом и ультрафиолетовом, и, вероятно, вызвано тем, что частицы теряют энергию с течением времени, когда они вращаются вокруг магнитного поля.
Это явление называется синхротронным охлаждением. Это означает, что астрономы видели рентгеновские лучи от одних и тех же частиц в разное время, а это означает, что то, что они наблюдают, не может быть волной, а должно быть самими частицами в струе.
От теории к симуляциям
Чтобы аккреция шла, достаточно даже очень слабого магнитного поля, поскольку оно усиливается из-за магниторотационной неустойчивости (J. Stone et al., 1996. Three-dimensional Magnetohydrodynamical Simulations of Vertically Stratified Accretion Disks). Поэтому важный вопрос о том, насколько сильно на самом деле поле в аккреционных дисках и насколько оно влияет на крупномасштабную динамику процесса аккреции, оставался без ответа.
К концу XX века астрофизики поняли, что модель тонкого диска (диск Шакуры — Сюняева, см. N. Shakura, R. Sunyaev, 1973. Black holes in binary systems. Observational appearance, а также задачу Дисковая аккреция), предложенная еще в 1970 годах, в которой все происходит в тонкой дискообразной области, применима далеко не ко всем аккрецирующим системам. Ключевым предположением в модели тонкого диска являлась радиационная эффективность: вся энергия нагрева плазмы эффективно излучается из диска в виде фотонов, что позволяет веществу сплюснуться в тонкий диск. Но в аккреционных системах типа черной дыры M87* в центре галактики M87 или черной дыры в центре нашей Галактики это предположение неверно: вещества слишком мало, и нагрев происходит слишком быстро, из-за чего вещество не успевает «остыть» и сплюснуться в диск. В результате возникла модель толстого диска. Несмотря на аналитическую сложность, она неплохо годится для численных симуляций, поскольку для моделирования толстого диска не требуется огромное разрешение, которое нужно в случае с тонкими дисками.
В XXI веке из численных симуляций стало ясно, что есть два режима аккреции толстого диска (рис. 4, также см. статьи R. Narayan et al., 2012. GRMHD simulations of magnetized advection-dominated accretion on a non-spinning black hole: role of outflows, F. Foucart et al., 2017. How important is non-ideal physics in simulations of sub-Eddington accretion on to spinning black holes? и B. Ripperda et al., 2020. Magnetic Reconnection and Hot Spot Formation in Black Hole Accretion Disks): режим стандартной и нормальной эволюции (англ. — Standard And Normal Evolution, SANE; в переводе с английского sane буквально означает «здравый») и режим магнитодоминирующего диска (англ. — Magnetically Arrested Disk, MAD; в переводе mad означает «сумасшедший»). В режиме SANE магнитное поле очень слабое и играет лишь промежуточную роль: оно запускает процесс турбулентности, но в остальном динамика диска полностью определяется движением вещества. Из-за этого в SANE-моделях магнитные поля турбулентны и менее структурированы, а джеты в таких симуляциях достаточно слабые. В режиме MAD, который характеризуется тем, что сила магнитного поля достаточно большая и давление магнитного поля сопоставимо с давлением вещества, силовые линии структурированы и играют не просто важную роль в формировании джета и аккреции, но способны на время затормозить аккрецию и даже запустить ее в обратном направлении, делая ее прерывистой и непостоянной.
Однако эти модели до поры до времени не подтверждались наблюдениями и «существовали» лишь в виде симуляций, результат которых зависит от начальных условий (пример симуляции можно посмотреть на этом видео). Какой именно режим реализуется в природе, до сих пор было неясно, как неясно было и то, в каких случаях формируется джет, насколько он энергичный и от чего это зависит. Проблема в том, что симуляции ограничены в размере: мы можем симулировать аккрецию лишь до нескольких сотен радиусов черный дыры, тогда как наблюдения реальных черных дыр могут позволить увидеть картину и вблизи горизонта событий и на масштабах, которые на много-много порядков больше его радиуса.
Формирование сверхмассивных черных дыр
Сверхмассивные чёрные дыры отличаются от черных дыр звёздных масс, собственно, огромной массой и, возможно, способом своего образования. Черная дыра звёздных масс — образуется путём коллапса массивной звезды (более 3-х масс Солнца), — способ же образования сверхмассивной черной дыры — до сих пор неизвестен.
Существует несколько версий образования сверхмассивной чёрной дыры, каждая из которых пока не получила убедительных доказательств:
- образуются из обычных черных дыр путем наращивания массы в богатых пылью и газом регионах Вселенной.
- из гипотетических черных дыр средних масс.
- возникают напрямую из больших количеств газа и пыли.
Черные дыры средних масс — обнаруживаются очень редко и кандидатов на этот вид единицы, что противоречит наблюдаемым количествам их якобы потомков сверхмассивных.
В тоже время в 2016 году поступили данные о ВОЗМОЖНОМ ОБНАРУЖЕНИИ процесса рождения сверхмассивной чёрной дыры в ранней Вселенной напрямую из гигантских облаков газа.
Телескоп горизонта событий
Телескоп горизонта событий EHT улавливает излучение, испускаемое частицами внутри аккреционного диска черной дыры: пятнистое гало на полученных изображениях показывает свет, искривляемый мощной гравитацией черной дыры.
Event Horizon Telescope работает как единое целое
Event Horizon Telescope – это глобальный радиоинтерферометр со сверхдлинной базой. Свое название EHT получил в честь «горизонта событий» – точки в пространстве, покинуть которую не может даже свет. И если говорить простым языком, то EHT, по сути, образует единый виртуальный телескоп «размером с Землю».
Все восемь радиотелескопов на разных континентах синхронизируются друг с другом при помощи атомных часов и суперкомпьютеров для обработки данных. Стоимость этого уникального проекта составляет около 60 миллионов долларов, 28 из которых поступили от Национального научного фонда США.
Новейшие астрономические инструменты позволяют нам узнать Вселенную
Наблюдения за объектом велись целых пять лет, а полученное изображение Стрельца А* – результат работы более 300 ученых из 80 стран мира. Снимок, представленный на официальной пресс-конференции 12 мая, составлен из нескольких тысяч изображений черной дыры.
В конечном итоге ученые надеются, что наблюдение за целым рядом черных дыр, как довольно спокойных, так и турбулентных, может помочь ответить на многочисленные вопросы об эволюции галактик – сегодня ответа на вопрос о том, что появилось раньше – галактика или черная дыра – не существует.
Еще один немаловажный аспект нового открытия – это эмоциональная связь с сердцем родной Галактики. Согласитесь, есть что-то захватывающее в том, что мир наслаждается снимком центра Млечного Пути. Впервые в истории. Результаты команды EHT опубликованы в специальном выпуске научного журнала Astrophysical Journal Letters.
Краткая история черной дыры Стрелец А* в одной картинке
Теперь команда EHT работает над расширением сети телескопов и проводит модернизацию, которая в будущем позволит получить еще более потрясающие изображения и даже фильмы о черных дырах. По мнению исследователей, работа над проектом объединяет: язык, континенты и даже галактики не могут стоять на пути великих возможностей человечества. Ведь чтобы добиться революционных открытий, мы должны работать сообща и трудиться для всеобщего блага. Согласны?
Поляризованный свет в конце тоннеля
Чтобы еще больше ограничить множество возможных параметров, нужны были какие-нибудь более детальные наблюдения этой черной дыры. И тут самое время вспомнить о том, что помимо интенсивности и частоты (наблюдения на другой длине волны также проводились и будут вскоре опубликованы) у света есть поляризация. Именно ее и удалось измерить для M87*. Две статьи с этими результатами были опубликованы некоторое время назад в журнале The Astrophysical Journal Letters.
Заряженные частицы в плазме находятся в постоянном движении. Электроны рассеиваются на протонах и друг на друге из-за кулоновского взаимодействия, а любое ускорение или торможение заряженной частицы влечет за собой излучение электромагнитных волн — света. Такое излучение называют тормозным (нем. bremsstrahlung, см. задачу Тормозное излучение). В среднем тормозное излучение не поляризовано, так как рассеяние в плазме происходит во всех направлениях и поляризации отдельно взятых волн налагаются друг на друга, производя в сумме неполяризованный свет.
Но если в плазме есть магнитные поля, то все гораздо интереснее. В магнитном поле релятивистские электроны могут излучать так называемое синхротронное излучение (см. задачу Синхротронное излучение в Крабовидной туманности). Его поляризация — если она есть — определяется направлением внешнего магнитного поля. А поляризовано это излучение может быть, потому что масштабы магнитного поля значительно превосходят масштабы плазмы (то есть для огромного количества частиц направление магнитного поля, а следовательно, и плоскость поляризации, будет одинаковым). В реальности, конечно, наблюдаемый свет лишь частично поляризован. Процент поляризованного света называют долей поляризации (англ. fractional polarization).
Наблюдаемый от черной дыры M87* свет был поляризован местами на 30%, что означает достаточно сильное и структурированное магнитное поле (рис. 6).
Из этих данных о магнитном поле можно сделать несколько выводов. Во-первых, большая доля поляризации говорит о том, что магнитное поле в аккреционном диске не хаотично и турбулентно, как предсказывали многие SANE-модели, а структурировано. Во-вторых, спиральная структура поляризации означает, что магнитное поле преимущественно сонаправлено с осью вращения (рис. 7), что полностью вписывается в предсказания многих MAD-моделей.
Все это означает, что новые данные позволяют уверенно «закрыть» длящуюся десятилетия дихотомию: они однозначно указывают, что аккреционный диск M87* находится в MAD-режиме с сильным структурированным магнитным полем, направленным вдоль оси вращения (рис. 8).
Помимо всего этого плоскость поляризации может вращаться по мере распространения волны сквозь замагниченную плазму из-за фарадеевского вращения. Это позволяет определить не только направление магнитного поля, но и его величину, а также плотность и температуру плазмы. Эти результаты как раз-таки оказались очень ожидаемыми: величина магнитного поля варьируется от нескольких до нескольких десятков Гаусс, плотность — от 104 до 107 частиц на кубический сантиметр, а температура в наблюдаемой области лежит в диапазоне 1010–1011 Кельвин.
Что такое чёрная дыра?
Чёрная дыра — это область космоса, гравитационное притяжение которой настолько велико, что даже свет не может покинуть её пределы. В буквальном смысле пространство и время обрушиваются в бездну. Само пространство падает в чёрную дыру подобно водопаду, только в роли воды здесь выступает пространство. Представьте себе человека на байдарке, который пытается подняться вверх по течению реки, но течение оказывается слишком сильным для него. Таким же образом чёрная дыра затягивает в себя пространство. Роль быстрого течения здесь выполняет гравитация. В определённый момент объект, попавший в чёрную дыру, достигает горизонта событий — точки, из которой нет возврата.
