Американские и австралийские астрофизики обнаружили кандидата в черные дыры средней массы. Такое название они получили потому, что тяжелее обычных - то есть формирующихся в результате гравитационного коллапса звезд - объектов, но легче сверхмассивных черных дыр, как правило расположенных в активных ядрах крупных галактик. Происхождение необычных объектов до сих пор остается неясным. Ниже мы рассказыжем о черных дырах промежуточных масс и об открытии ученых.

Большинство известных ученым черных дыр - то есть объектов, покинуть пределы которых не способна (в пренебрежение квантовыми эффектами) никакая материя, - являются либо черными дырами звездной массы, либо сверхмассивными черными дырами.

Происхождение этих гравитационных объектов астрономам примерно ясно. Первые, как ясно из их названия, представляют собой конечный этап эволюции тяжелых светил, когда в их недрах прекращаются термоядерные реакции. Они настолько тяжелы, что не превращаются ни в белых карликов, ни в нейтронные звезды.

Небольшие звезды, подобные Солнцу, превращаются в белых карликов. У них сила гравитационного сжатия уравновешивается электромагнитным отталкиванием электронно-ядерной плазмы. У более тяжелых звезд гравитация сдерживается давлением ядерной материи, в результате чего возникают нейтронные звезды. Сердцевина таких объектов сформирована нейтронной жидкостью, которую покрывает тонкий плазменный слой электронов и тяжелых ядер. Наконец, самые тяжелые светила превращаются в черные дыры, что прекрасно описывается общей теорией относительности и статистической физикой.

Предельное значение массы белого карлика, не дающее ему превратиться в нейтронную звезду, в 1932 году оценил индийский астрофизик Субраманьян Чандрасекар. Этот параметр вычисляется из условия равновесия вырожденного электронного газа и сил гравитации. Современное значение предела Чандрасекара оценивается примерно в 1,4 солнечной массы. Верхнее ограничение на массу нейтронной звезды, при которой она не превращается в черную дыру, получило название предела Оппенгеймера-Волкова. Оно определяется из условия равновесия давления вырожденного нейтронного газа и сил гравитации. В 1939 году ученые получили его значение в 0,7 солнечной массы, современные его оценки варьируются от 1,5 до 3,0.

Самые массивные звезды в 200-300 раз тяжелее Солнца. Как правило, масса черной дыры, произошедшей из звезды, не превышает этот порядок. На другом конце шкалы находятся сверхмассивные черные дыры - они тяжелее Солнца в сотни тысяч или даже десятки миллиардов раз. Обычно такие монстры расположены в активных центрах крупных галактик и оказывают определяющее на них влияние. Несмотря на то что происхождение сверхмассивных черных дыр также вызывает много вопросов, к настоящему времени обнаружено достаточно много таких объектов (более строго - кандидатов в них), чтобы не сомневаться в их существовании.

Например, в центре Млечного Пути, на расстоянии 7,86 килопарсека от Земли, находится самый тяжелый объект в Галактике - сверхмассивная черная дыра Стрелец A*, которая более чем в четыре миллиона раз тяжелее Солнца. В соседней крупной звездной системе - Туманности Андромеды -находится еще более тяжелый объект: сверхмассивная черная дыра, которая, вероятно, в 140 миллионов раз тяжелее Солнца. По оценкам астрономов, примерно через четыре миллиарда лет сверхмассивная черная дыра из Туманности Андромеды поглотит таковую из Млечного Пути.

Данный механизм указывает на наиболее вероятный способ формирования гигантских черных дыр - они просто поглощают всю окружающую их материю. Однако остается вопрос: существуют ли в природе черные дыры промежуточных масс - между звездными и сверхтяжелыми? Наблюдения последних лет, в том числе и опубликованное в недавнем выпуске журнала Nature, подтверждают это. В публикации авторы сообщили об обнаружении в центре шарового звездного скопления 47 Тукана (NGC 104) вероятного кандидата в черные дыры средней массы. Как показывают оценки, она тяжелее Солнца примерно в 2,2 тысячи раз.

Скопление 47 Тукана расположено на расстоянии 13 тысяч световых лет от Земли в созвездии Тукан. Эту совокупность гравитационно связанных светил отличает большой возраст (12 миллиардов лет) и крайне высокая среди подобных объектов яркость (уступает лишь Омеги Центавра). NGC 104 содержит тысячи звезд, ограниченных условной сферой диаметром 120 световых лет (это на три порядка меньше диаметра диска Млечного Пути). Также в 47 Тукана присутствует около двадцати пульсаров - именно они и стали главным объектом исследования ученых.

Прежние поиски в центре NGC 104 черной дыры не увенчались успехом. Такие объекты обнаруживают себя косвенным путем, по характерному рентгеновскому излучению, исходящему от аккреционного диска вокруг них, сформированного разогретым газом. Между тем, центр NGC 104 почти не содержит газа. С другой стороны, черную дыру можно обнаружить по оказываемому ею влиянию на вращающиеся в ее окрестностях звезды - примерно так удается исследовать Стрелец A*. Однако и тут ученых подстерегала проблема - центр NGC 104 содержит слишком много звезд, чтобы можно было разобраться в их отдельных перемещениях.

Ученые попробовали обойти обе трудности, одновременно с этим не отказавшись от привычных методов обнаружения черных дыр. Сперва астрономы проанализировали динамику светил всего шарового скопления в целом, а не только тех звезд, которые близки к его центру. Для этого авторы взяли данные о динамике светил 47 Тукана, собранные в ходе наблюдений австралийской радиобсерваторией Паркса. Полученную информацию ученые использовали для компьютерного моделирования в рамках гравитационной задачи N тел. Оно показало, что в центре NGC 104 есть нечто, по своим характеристикам напоминающее черную дыру средней массы. Однако этого было недостаточно.

Проверить свои выводы исследователи решили на пульсарах - компактных остатках мертвых звезд, радиосигналы которых астрономы научились достаточно хорошо отслеживать. Если в NGC 104 есть черная дыра средней массы, то пульсары не могут быть расположены слишком близко к центру 47 Тукана - и наоборот. Как и ожидали авторы, подтвердился первый сценарий: расположение пульсаров в NGC 104 хорошо соотносится с тем, что в центре скопления есть черная дыра средней массы.

Авторы полагают, что подобного рода гравитационные объекты могут находиться и в центрах других шаровых скоплений - вероятно, там, где их уже или еще не ищут. Для этого потребуется тщательное рассмотрение каждого из таких скоплений. Какую роль играют черные дыры промежуточных масс и как они возникли? Пока это неизвестно наверняка. Несмотря на множество вариантов их дальнейшей эволюции, соавтор исследования Бюлент Кизилтан полагает, что «они могут быть изначальными семенами, выросшими в монстров, которые мы сегодня видим в центрах галактик».

Черные дыры - это области в пространстве-времени, обладающие настолько мощным гравитационным притяжением, что покинуть пределы черной дыры не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе кванты самого света). Граница черной дыры называется горизонтом событий, а её размер - гравитационным радиусом. Чёрные дыры располагаются в центре практически каждой галактики и отличаются друг от друга размерами – от малых до сверхмассивных.

Какие размеры черных дыр известны науке?

Так как наиболее плотные скопления звезд можно наблюдать по центрам галактик, то в каждой галактике можно доказать присутствие массивной черной дыры. Описываются характеристики черных дыр по трем критериям: массе, моменту импульса, электрическому заряду.

При этом способов определения размеров черных дыр было выявлено два. Это методы, продемонстрированные американскими астрономами в 2001 году, применяют для измерения массы близко расположенных черных дыр и более отдаленных квазаров. Кроме того, при помощи новых методов можно получать максимум информации о формировании галактик и развитии черных дыр.

Сверхмассивная черная дыра своей массой превышает размеры Солнца в пределах от миллиона до миллиарда раз. Черные дыры подобных глобальных размеров располагаются по центрам галактик, а так как их невозможно увидеть, обнаруживают и изучают их, наблюдая за перемещающимися вокруг них звездами.

Особенности черных дыр в зависимости от их массы и размера

Астрономами было доказано, что черные дыры не рождаются в своих громадных размерах, а медленно растут за счет звезд галактик и газа. Если верить теории, то многие черные дыры могут меняться в размерах в достаточно широком диапазоне. Некоторые из них могут быть меньше элементарных частиц, а некоторые – просто огромных размеров. При этом научно доказано, что дыры поменьше – вследствие квантовых эффектов должны разрушаться, а самые миниатюрные из них взрываются, едва образовавшись.

В ходе последних исследований британских и австралийских ученых было выявлено, что многие черные дыры имеют тенденции к быстрому увеличению, постепенно превосходя массу Солнца в миллиарды раз. Увеличиваются эти космические области, благодаря всасыванию ими газов, после чего происходит образование вокруг спирали и отверстия диска.

Проведение практических опытов доказало, что если два таких диска впоследствии разойдутся в разные стороны, а потом столкнутся – подобная ситуация будет способствовать росту черной дыры в тысячи раз быстрее обычного.

Черные дыры средней массы в ядрах галактик

Черная дыра средней массы весит примерно как десять тысяч Солнц. Это в десять тысяч раз меньше, чем масса Гаргантюа, но в тысячу раз больше, чем вес обычных черных дыр, – как раз то, что нужно Куперу для маневров.

Считается, что порой дыры средней массы возникают в центре плотных скоплений звезд, которые называют шаровыми звездными скоплениями. И некоторые из них с немалой долей вероятности попадают в ядра галактик, туда, где располагаются гигантские черные дыры.

Возьмем для примера галактику Андромеды, ближайшую к нашей крупную галактику (рис. 7.4), в ядре которой скрывается черная дыра размером с Гаргантюа, массой в 100 миллионов Солнц. К таким гигантским черным дырам стягивается огромное количество звезд – до тысячи звезд на кубический световой год. Когда дыра средней массы проходит через столь насыщенную область, она силой своей гравитации смещает звезды, оставляя за собой след повышенной звездной плотности. Данный след, в свою очередь, притягивает дыру средней массы, замедляя ее движение; этот процесс называется динамическим трением. По мере того как дыра средней массы замедляется, ее затягивает ближе к гигантской черной дыре. Таким образом, природа (в Кип-версии) может «снабдить» Купера черной дырой средней массы, необходимой для его гравитационных маневров.

Рис. 7.4. Слева: галактика Андромеды, в ядре которой скрывается черная дыра размером с Гаргантюа. Справа: динамическое трение, благодаря которому дыра средней массы постепенно замедляется и притягивается все ближе к гигантской черной дыре

Из книги Черные дыры и молодые вселенные автора Хокинг Стивен Уильям

11. Черные дыры и младенцы-вселенные16 Падение в черную дыру стало одним из ужасов научной фантастики. Па самом деле о черных дырах сейчас можно сказать, что это научный факт, а не фантастика. Как я покажу ниже, есть достаточные основания утверждать, что черные дыры должны

Из книги Черные дыры и структура пространства-времени [лекция] автора Малдасена Хуан

1. Черные дыры Черные дыры - один из самых необыкновенных объектов, предсказываемых общей теорией относительности Эйнштейна. У черных дыр интересная история, поскольку они преподнесли теоретикам немало сюрпризов, приведших к лучшему пониманию природы

Из книги Тайны пространства и времени автора Комаров Виктор

2. Черные дыры и квантовая механика Следующий сюрприз ждал ученых, когда они занялись изучением квантовых эффектов. В квантовой механике вакуум - это не просто полное отсутствие элементарных частиц. Вакуум - это весьма интересное состояние пространства, в котором

Из книги Занимательно о космогонии автора Томилин Анатолий Николаевич

Из книги Твиты о вселенной автора Чаун Маркус

«Черные» и «белые дыры» вселенной В марте 1974 года в Государственном астрономическом институте имени П. Н. Лебедева АН СССР появилось у входа любопытное объявление. На объединенном семинаре должен был читаться доклад под названием «Взрываются ли „белые дыры“?». Научный

Из книги Гиперпространство автора Каку Мичио

77. Что такое черные дыры? Черная дыра представляет собой область пространства, где градация настолько сильна, что даже свет - самая быстрая вещь в о Вселенной - не может покинуть ее. Поэтому она такая.Черная дыра, как полагают, образовалась в результате гибели очень

Из книги Новый ум короля [О компьютерах, мышлении и законах физики] автора Пенроуз Роджер

Из книги Гравитация [От хрустальных сфер до кротовых нор] автора Петров Александр Николаевич

Черные дыры Если звезда в 10–50 раз превосходит размерами наше Солнце, тогда гравитация будет продолжать сжимать ее даже после превращения в нейтронную звезду. В отсутствие силы термоядерных реакций, противостоящей силе притяжения, ничто не может помешать окончательному

Из книги Черные дыры и складки времени [Дерзкое наследие Эйнштейна] автора Торн Кип Стивен

Из книги Интерстеллар: наука за кадром автора Торн Кип Стивен

Глава 8 Черные дыры Горизонт стремительно загибался всё круче и круче, и казалось, что все мы находимся на дне колоссального кувшина. Аркадий Стругацкий, Борис Стругацкий «Понедельник начинается в субботу» Темные звезды Мичелла-Лапласа Как ни странно, чтобы начать

Из книги автора

Черные дыры и релятивистские звезды во Вселенной Думаю, что для создания шмеля требуется больше мудрости, чем для создания черной дыры. Юстейн Горде «Апельсиновая девушка» Теперь мы много знаем о черных дырах, но все выводы сделаны на основании теоретических положений.

Из книги автора

Черные дыры в многомерной ОТО Итак, шаг за шагом многомерные пространства становятся неотъемлемой частью различных физических моделей. Вместе с этим все больше внимания привлекает и обобщение ОТО на более чем четыре измерения (без других модификаций и дополнений), так

Из книги автора

3 ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ ОТКРЫТЫ И ОТВЕРГНУТЫ глава, в которой законы искривленного пространства Эйнштейна предсказывают черные дыры, а сам Эйнштейн их отвергает«Важным результатом этого исследования, - писал Эйнштейн в технической статье в 1939 г., - является объяснение того,

Из книги автора

5. Черные дыры Черная дыра Гаргантюа играет в «Интерстеллар» ключевую роль. В этой главе мы ознакомимся с общими сведениями о черных дырах, а в следующей – перейдем непосредственно к Гаргантюа. Начну я со странного заявления: черные дыры состоят из искривленного

Из книги автора

Черные дыры и аккреционные диски Но как из столь маленькой области может исходить так много энергии? Если взять фундаментальные силы природы, то вариантов три: химическая энергия, ядерная энергия или гравитационная энергия.Химическая энергия – это энергия, которая

Из книги автора

Глава 5. Черные дыры Больше о черных дырах и о том, как мы узнали о них то, что, как нам кажется, мы знаем: «Черные дыры и складки времени» [Торн 2009], Gravity’s Fatal Attraction: Black Holes in the Universe , а также лекция, которую я прочитал в 2012 году на вечере в честь