Астрономия + Черная дыра

Ученые предложили новый способ обнаружения первичных черных дыр — древних черных дыр, которые могли стать частью темной материи, составляющей большую часть Вселенной. Этот метод основан на излучении Хокинга — особом излучении, которое черные дыры испускают в зависимости от своей массы: чем меньше черная дыра, тем сильнее излучение.

Ранее ученые искали следы таких черных дыр в космическом фоновом излучении, но теперь предлагают ловить их, когда они проходят через нашу Солнечную систему. При этом внимание уделяется позитронам — частицам, которые легче всего обнаружить с помощью Альфа-магнитного спектрометра на Международной космической станции.

Модели показывают, что примерно раз в год такая черная дыра может проходить рядом с Землей, создавая заметные всплески позитронного излучения. Это позволит проводить прямые измерения и лучше понять, могут ли эти черные дыры составлять темную материю.

Кроме позитронов, ученые планируют искать и гамма-лучи, связанные с излучением Хокинга, что поможет охватить широкий диапазон масс — от небольших астероидов до крупных тел вроде Цереры.

Этот подход меняет стратегию поиска темной материи с пассивного наблюдения на активный поиск отдельных объектов рядом с нами. Если он сработает, мы сможем не только подтвердить существование первичных черных дыр, но и узнать больше об их количестве и массе — ключ к разгадке тайны темной материи во Вселенной.

Слияния нейтронных звезд — это не просто захватывающее космическое зрелище, но и настоящая мастерская для астрофизиков! Это события, где два очень плотных остатка звезд объединяются в мощный космический спектакль, и, как бы странно это ни звучало, здесь происходит столько всего, что современные науки только начинают постигать их сложность.

Сложно не представить, какие научные прорывы могли бы произойти, учитывая, что слияния нейтронных звезд порождают не только гравитационные волны, но и могут быть связаны с гамма-всплесками, самыми мощными взрывами во Вселенной. Но давайте разберемся по порядку!

Долгожданная симуляция от исследовательских гуру!

Недавнее исследование, проведенное командой из Института гравитационной физики Макса Планка, практику области теоретической физики Юкавы, университета Чиба и университета Тохо, представило самое длительное моделирование слияний бинарных нейтронных звезд на сегодняшний день. Эта работа, опубликованная в журнале Physical Review Letters, затрагивает подробно различные аспекты, включая магнитные поля, нейтрино и высокоплотную материю. Да, все это звучит довольно запутанно, но именно здесь начинается магия!

• Исследователь Хаяши, первый автор статьи, уточняет, что их работа направлена на понимание динамики слияния. Это значит, что команда хочет не только увидеть сам момент слияния, но и предсказать, какие сигналы (гравитационные волны, электромагнитное излучение и нейтрино) мы можем получить от этого фантастического события.

Магнитная динамика и черные дыры

В их симуляции, которая длилась целых 1.5 секунды при помощи суперкомпьютера Фугаку, две нейтронные звезды с различными массами (1.25 и 1.65 солнечных масс) соединяются, чтобы затем сразу же сколлапсировав в черную дыру. Это, безусловно, зрелище, которое стоит наблюдать на небесах!

• После слияния формируется аккреционный диск, который, как оказалось, действует словно космическая мельница, создающая сложные магнитные поля. Эти поля, в свою очередь, формируют так называемый магнетически управляемый поток.

• Хаяши отмечает, что подобная система весьма перспективна: она может привести к возникновению гамма-всплесков, что делает ее еще более захватывающей для изучения астрофизиками.

Новые горизонты и будущие исследования!

Исследование, проведенное Хаяши и его командой, подчеркивает, насколько важны эти события для нашего понимания Вселенной. Но это только начало! Как они сами говорят, необходимо дальнейшее исследование, особенно в контексте электромагнитных выбросов и скорости ускорения потока.

• Система уже демонстрирует скорость, близкую к 99.9% скорости света, но для полноты картины нужно больше данных!

• В будущем исследователям предстоит задуматься о том, как эти открытия могут связать слияния нейтронных звезд с моделями, описывающими гамма-всплески, чтобы лучше понять, что же на самом деле происходит в этих космических катастрофах.

Заключение: По следам космических катастроф.

Слияния бинарных нейтронных звезд — это нечто особенное. Команда исследователей радостно открывает новые горизонты в понимании этих космических побрякушек. Кто знает, может быть, мы на пути к разгадке еще одной секрета Вселенной. А с каждым новым открытием становится все более очевидно: космос полон чудес, которые ждут своего часа!

Одним из первых людей, кто получил изображение черной дыры, был Жан-Пьер Люмине в 1979 году. Используя математику, IBM 7040 и терпение, ему удалось получить поточечное изображение, которое бы увидел наблюдатель вблизи черной дыры. Жан-Пьер наносил каждую новую точку, полученную в результате вычислений, собственноручно на бумагу с помощью туши. Кропотливая работа дала плоды — изображение оказалось близким к тому, что позднее получили ученые в более «продвинутых» компьютерных симуляциях и к тому, что было получено на телескопе «горизонт событий». Последний получил в 2019 году знаменитое изображение черной дыры.

Кинематограф и научная фантастика обожают изображать черные дыры как "космические пылесосы", безжалостно втягивающие все вокруг — от космических кораблей до планет и гигантских звезд.

Такие сцены выглядят эффектно и пугающе, но насколько они соответствуют реальности? К счастью, истинная физика черных дыр куда менее апокалиптична, но при этом гораздо интереснее.

Гравитационное поле

Черные дыры подчиняются тем же законам гравитации, что и любые другие объекты в нашей Вселенной. Их притяжение зависит от массы и расстояния — чем дальше вы находитесь, тем слабее их влияние. Никакой магической всепоглощающей силы у них нет.

Допустим, если бы наше Солнце внезапно превратилось в черную дыру, сохранив свою массу, то как бы изменилась организация Солнечной системы? Абсолютно никак! Все объекты продолжали бы вращаться по тем же орбитам, на том же расстоянии. Да, со временем климатические условия на Земле изменились бы в худшую сторону, но упорядоченность Солнечной системы осталась бы неизменной. Черная дыра с солнечной массой оказывает точно такое же гравитационное влияние на окружающее пространство, что и Солнце. Ни больше, ни меньше.

Галактика в безопасности

В центре нашей галактики Млечный Путь находится сверхмассивная черная дыра Стрелец А*, масса которой почти в 4,3 миллиона раз превышает массу Солнца. Звучит устрашающе? Но давайте посмотрим на цифры.

Диаметр Млечного Пути около 100 000 световых лет. Гравитационное влияние центральной черной дыры ощутимо лишь в радиусе нескольких световых лет от нее. Это как песчинка в центре футбольного стадиона — да, она там есть и взаимодействует с близлежащими песчинками, но на трибунах ее влияние уж точно никто не почувствует.

Звезды вблизи центра Галактики действительно вращаются вокруг черной дыры с огромными скоростями, испытывая ее чудовищное влияние. Например, астрономы давно ведут наблюдения за звездой S2, которая в момент максимального сближения со Стрельцом А* проходит на расстоянии около 120 а.е.* от сверхмассивной черной дыры — и ничего, избегает "засасывания"! Звезда продолжает свое уверенное движение по эллиптической орбите, как делала это миллионы или даже миллиарды лет.

*а.е. — астрономическая единица, среднее расстояние от Земли до Солнца, около 150 миллионов километров.

Более того, любая галактика — очень стабильная система, где все элементы удерживаются вместе благодаря темной материи и суммарной массе всех светил, обеспечивающих надежную гравитационную связь. На черную дыру в центре Млечного Пути — сколь бы грозной не выглядела ее масса на фоне Солнца — приходится менее 0,1% от общей массы Галактики. И Млечный Путь в этом плане не является исключением — это среднее значение для галактик в наблюдаемой Вселенной.

Так что спите спокойно — ни одна черная дыра не способна "проглотить" целую галактику. Законы физики надежно защищают нас от космических кошмаров, порожденных научной фантастикой. Черные дыры опасны только вблизи, а в целом же они ведут себя как обычные массивные объекты — притягивают ровно настолько, насколько позволяет их масса.

Читайте также:

• Подтверждено: в 5 000 световых годах от нас блуждает изолированная черная дыра.

• Пробуждение гиганта: впервые астрономы наблюдают «просыпающуюся» сверхмассивную черную дыру.

• Самая массивная черная дыра из известных науке.

Астрономы, использующие телескоп «Горизонт событий», предложили новый метод наблюдения за радионебом на нескольких частотах. Это открытие позволит в будущем получать цветные изображения сверхмассивных чёрных дыр.

Цвет — удивительное явление. С физической точки зрения, он определяется частотой или длиной волны света. Чем длиннее волна (или ниже частота), тем ближе свет к красной части спектра. И наоборот, более короткие волны и высокие частоты соответствуют синему концу. Каждая частота имеет свой уникальный оттенок.

Откройте для себя Вселенную! Присоединяйтесь к нашему сообществу в Telegram и будьте в курсе самых свежих новостей астрономии и космонавтики каждый день!

Однако наше восприятие цвета устроено иначе. Глаза человека различают цвета благодаря трём типам колбочек в сетчатке, чувствительных к красному, зелёному и синему свету. Мозг комбинирует эти сигналы, создавая цветное изображение. Похожий принцип используется в цифровых камерах, где датчики улавливают те же три основных цвета. Даже экраны компьютеров состоят из красных, зелёных и синих пикселей, которые вместе формируют полноцветную картинку.

Хотя радиоизлучение невидимо для человеческого глаза, радиотелескопы способны различать его «цвета» — частотные диапазоны. Детекторы могут фиксировать узкие участки спектра, подобно тому, как оптические сенсоры улавливают разные цвета. Наблюдая объект в нескольких диапазонах, астрономы могут создать его «цветное» радиоизображение.

Однако у этого подхода есть ограничения. Большинство радиотелескопов работают только в одном диапазоне за раз, поэтому для получения цветной картинки требуется несколько наблюдений. Для статичных объектов это приемлемо, но для быстро меняющихся или компактных источников такой метод не подходит. Изображение может измениться раньше, чем будут сделаны все необходимые замеры. Представьте, если бы камера смартфона делала снимки каждого цвета по очереди с задержкой в десятую долю секунды. Для статичных сцен это не проблема, но для динамичных сцен кадры не совпадут.

Именно здесь пригодится новый метод. Учёные применили технику частотно-фазовой передачи (FPT), чтобы компенсировать атмосферные искажения радиоволн. Наблюдая на длине волны 3 мм, они смогли отследить влияние атмосферы — аналогично тому, как оптические телескопы используют лазеры для коррекции искажений. Команда показала, что одновременные наблюдения на 3 мм и 1 мм позволяют улучшить чёткость изображения на более короткой волне. Корректируя атмосферные помехи, астрономы могут согласовать данные из разных диапазонов и создать детализированное цветное изображение.

Пока метод остаётся экспериментальным, и текущее исследование — лишь доказательство его работоспособности. Однако в будущем его смогут применять такие проекты, как телескоп нового поколения ngEHT или миссия Black Hole Explorer (BHEX). Это значит, что скоро мы сможем увидеть чёрные дыры не только в цвете, но и в реальном времени.

(https://t.me/s/SpaceNews_Russia/@SpaceNews_Russia)

Автор: Осипов Илья Александрович, лектор «Смоленского Планетария» имени Ю. А. Гагарина. (2022-2024)