Срочная новость
Открывается прием заявок на конкурс «Снимай науку!»
Открывается прием заявок на конкурс «Снимай науку!»
Как взвесить черную дыру?
Мы очень мало знаем об этих астрономических объектах, но имеем несколько способов определения их массы
Мы очень мало знаем о черных дырах, но имеем несколько способов определения их массы. О них рассказывает доктор физико-математических наук Сергей Борисович Попов, постоянный лектор культурно-просветительского проекта АРХЭ.
В астрономии самые надежные способы определения массы небесного тела сводятся к анализу движения объектов, вращающихся вокруг него.
Если мы говорим о черных дырах звездных масс, то такая ситуация реализуется в двойных системах. Черная дыра и звезда образуют гравитационно связанную систему, обращающуюся вокруг общего центра масс. Измерив орбитальный период и скорости объектов (что возможно благодаря эффекту Доплера), мы можем получить оценку массы. Если к тому же известно, под каким углом к нам расположена плоскость орбиты (это возможно, например, если в системе происходят затмения), то тогда можно получить точные значения. Было бы здорово открыть черную дыру в паре с радиопульсаром — тогда точность качественно возрастет, но такие системы пока не известны. Они встречаются не чаще чем одна на несколько тысяч пульсаров. Ждем результатов с нового радиотелескопа FAST, а уж если и он не откроет — то тогда ждем гигантскую систему SKA, которая начнет работать в 2020-х годах.
В случае сверхмассивных черных дыр ситуация с измерением массы качественно очень похожа. Мы видим, как вокруг источника Sgr A* («Стрелец A*»), сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики, движутся звезды. Это позволяет получить значение массы — около 4 млн масс Солнца. Величина определяется достаточно точно, самым неизвестным фактором является расстояние до центра галактики, а оно через пару-тройку лет будет сильно уточнено благодаря результатам спутника Gaia.
В других галактиках мы не видим движения отдельных звезд, но можем измерять скорость вращения газового диска вокруг черной дыры или определять параметры движения мазерных источников, также обращающихся вокруг центральных черных дыр. Все это позволяет достаточно точно измерять их массы. Скажем, в галактике М87 в созвездии Девы находится черная дыра массой 3 млрд солнечных — самая массивная в нашей метагалактической окрестности.
Есть ряд более косвенных методов определения масс сверхмассивных черных дыр. Их преимущество состоит в том, что для них не нужны столь детальные наблюдательные данные, а поэтому их можно использовать для большего числа объектов. Правда, и масса тогда определяется не очень точно: можно легко ошибиться в несколько раз.
Наконец, в случае черных дыр звездных масс есть еще один метод, который, благодаря спутнику Gaia и другим наблюдательным проектам, может дать в ближайшем будущем много новых измерений масс. Это гравитационное микролинзирование.
Если между нами и наблюдаемым источником излучения (чаще всего звездой) пролетает массивный и достаточно компактный объект (другая звезда или планета, черная дыра или нейтронная звезда, белый или бурый карлик), то мы увидим изменение блеска источника. Это называют фотометрическим гравитационным микролинзированием (приставка микро- добавляется, чтобы отметить, что линзирование происходит в масштабе звездных, а не галактических масс). Пролетающее тело искажает пространство вокруг себя, что приводит к собиранию (по сути, фокусировке) излучения. То есть оно работает как собирающая линза. Блеск источника постепенно возрастет, а затем симметрично вернется к первоначальному значению. Если мы знаем расстояние до гравитационной линзы и ее скорость (чаще всего это можно сделать, хотя бы примерно), то можем точно определить ее массу. Таким способом уже было обнаружено несколько хороших кандидатов в одиночные черные дыры звездных масс. Кроме того, гравитационное линзирование приводит к смещению видимого положения источника — это так называемое астрометрическое гравитационное линзирование.
|
|
Сергей Борисович Попов, доктор физико-математических наук, профессор РАН, ведущий научный сотрудник ГАИШ МГУ, лауреат премии «За верность науке» Министерства образования и науки РФ в категории «Популяризатор года», постоянный лектор культурно-просветительского проекта АРХЭ |
На сайте могут быть использованы материалы интернет-ресурсов Facebook и Instagram, владельцем которых является компания Meta Platforms Inc., запрещённая на территории Российской Федерации
Хотите быть в курсе последних событий в науке?
Оставьте ваш email и подпишитесь на нашу рассылку
Нажимая на кнопку «Подписаться», вы соглашаетесь на обработку персональных данных
Как «взвесить» огромную черную дыру в спиральной галактике?
Перспектива измерения массы наиболее массивных из известных объектов Вселенной повергнет большинство людей в холодный пот, но для астрономов Большого миллиметрового/субмиллиметрового массива ALMA в Чили это работа на день. Тем не менее «взвешивание» сверхмассивной черной дыры за миллионы световых лет от нас — далеко не простая задача.
Сверхмассивные черные дыры, как известно, скрываются в ядрах большинства галактик. Они могут влиять на звездообразование по всей галактике и тесно связаны с миллиардами лет эволюции своих родных галактик. Понять, как растут сверхмассивные черные дыры и как они влияют на здоровье своей межзвездной среды, является одной из самых важных задач современной астрофизики.
Для начала, как и в любом медосмотре, мы должны найти способ измерить массу этих гигантских черных то ли точек, то ли «пушистых клубков». Есть несколько способов оценить массу сверхмассивной черной дыры, но они зависят от того, как далеко находится черная дыра и в каком типе галактики она расположена.
Для сверхмассивной черной дыры в ядре нашей галактики Млечный Путь астрономы смогли прицелиться на Стрельца А* — яркий регион выбросов радиоволн — и отследить движение отдельных звезд вокруг невидимой точки, используя невероятно точные инфракрасные телескопы. Эта невидимая точка, конечно, и есть место расположения сверхмассивной черной дыры с массой в 4 миллиона солнц.
Оценка массы ближайшей сверхмассивной черной дыры к Земле — это одно. В конце концов, она находится «всего» в 25 000 световых годах от ближайшей обсерватории. Но как насчет измерения черных дыр в ядрах других галактик?
Из-за гигантского расстояния измерение скорости звезд в ядрах других галактик не представляется возможным. Поэтому, чтобы измерить массы этих объектов, астрономы ищут яркие объекты в радиодиапазоне под названием «мегамазеры», которые крутятся вокруг центральной черной дыры и выступают своего рода маяками. К сожалению, мегамазеры довольно редкие.
Также астрономы будут пытаться измерить движение ионизированных газов внутри галактического ядра; скорость движения газовых облаков может выявить массу черной дыры. Но этот метод лучше всего подходит для эллиптических галактик; он не может быть использован для оценки массы сверхмассивных черных дыр в ядрах спиральных галактик.
И все же, похоже, астрономы нашли способ измерить массу сверхмассивной черной дыры в ядрах спиральных галактик, используя наблюдательную мощь ALMA, как сообщает Discovery. Обратив свое внимание на спиральную галактику с перемычкой NGC 1097 в 45 миллионах световых лет от нас в созвездии Печи, ученые под руководством Киоко Ониши из университета SOKENDAI в Японии точно измерили распределение цианистого водорода (HCN) и молекул формильной группы (HCO+) в центральном регионе галактики. Затем, используя компьютерные модели для моделирования различного распределения этих молекул вокруг сверхмассивных черных дыр с разными массами, они смогли определить массу черной дыры, которая вписывается в наблюдения.
Оказалось, что черная дыра NGC 1097 соответствует определению сверхмассивной. Масса этой черной дыры составляет порядка 140 миллионов солнечных, что в 35 раз больше, чем наша скромная и не такая сверхмассивная черная дыра Стрельца А*.
«Результаты последних наблюдений указывают на то, что взаимосвязь между массой сверхмассивной черной дыры и свойствами родительской галактики варьируется в зависимости от типа галактики, что повышает важность извлечения точных масс сверхмассивных черных дыр в разных типах галактик», — заявил Ониши.
«Это первое использование ALMA, в ходе которого было проведено такое измерение спиральной галактики с перемычкой, — добавляет соисследователь Картик Шет из Национальной радиоастрономической обсерватории в Шарлоттсвилле, штат Вирджиния. — Когда вы смотрите на изысканно подробные наблюдения ALMA, становится просто непостижимо, как хорошо они вписываются в проверенные модели. Интересно то, что мы можем применить этот метод к другим подобным галактикам и лучше понять, как эти невероятно массивные объекты влияют на свои родные галактики».
Что ж, измерение массы сверхмассивной черной дыры в ядре спиральной галактики стало еще более точным процессом.
Как астрономы вычислили массу черной дыры
Черные дыры являются одними из самых загадочных объектов во вселенной. Теоретическая возможность их существования вытекала еще из некоторых уравнений Альберта Эйнштейна, но споры о реальности этого феномена велись долгие годы. Тем не менее, в итоге черные дыры были не только обнаружены, но и «взвешены».
Черной дырой называют область в пространстве-времени с очень большой гравитацией, ее не могут покинуть даже фотоны света. Так как данная область ничего не выпускает наружу, ее нельзя увидеть, о существовании черной дыры можно судить только по вносимым ею возмущениям в окружающее пространство. Проходя мимо какой-нибудь звезды, черная дыра в буквальном смысле разрывает ее на части. Именно наблюдение подобных явлений и позволяет ученым определить местоположение черной дыры.
При разрыве звезды черной дырой остатки звездного вещества разгоняются до больших скоростей, что приводит к появлению различных изучений, в том числе и регистрируемых радиотелескопами. Ученым удалось проанализировать излучение от вспышки звезды Swift J1644+57, зафиксированной в марте 2011 года. Это была самая мощная из регистрировавшихся вспышек подобного рода. Первоначальной причиной ее появления посчитали вспышку сверхновой звезды, но вскоре от этого предположения отказались. Взрывы сверхновых затухают через несколько дней, тогда как в данном случае излучение продолжалось несколько месяцев. Его источником оказалось разогретое до высоких температур вещество звезды, поглощаемой черной дырой.
Было установлено, что излучение изменяется с частотой 200 секунд, это объяснили вращением втягиваемого звездного вещества вокруг черной дыры. Основываясь на характеристиках излучения, исследователи смогли вычислить примерную массу черной дыры – от 450 тысяч до 5 миллионов масс Солнца. Такие показатели вполне соответствуют сверхмассивным черным дырам, которые присутствуют в центре большинства галактик. Рассчитать массу более точно пока невозможно, так как ученым приходится основываться на косвенных показателях.
Это не первая черная дыра, массу которой удалось вычислить. Так, в июле 2012 года исследователи смогли рассчитать массу черной дыры HLX-1, она оказалась в районе от 9 до 90 тысяч солнечных масс.
Стоит отметить, что всплеск излучения, образующийся при разрушении звезды черной дырой, имеет колоссальную мощность и может быть очень опасен. Например, интенсивность рентгеновского излучения от материи, засасываемой черной дырой HLX-1, превышает интенсивность солнечной радиации в 260 миллионов раз. Если Земля попадет в центральный луч такого излучения, жизнь на нашей планете полностью прекратится.
FAQ
Как были открыты черные дыры промежуточной массы?
Сергей Попов
Сохранить в закладки
26731
17
Сохранить в закладки
О методах определения массы черной дыры и загадке ультрамощных рентгеновских источников
20.08.2014
Над материалом работали
Сергей Попов
Доктор физико-математических наук, профессор РАН, ведущий научный сотрудник ГАИШ МГУ
Читать полностью 
Добавить в закладки
Вы сможете увидеть эту публикацию в личном кабинете
ПРОМО Вы нужны нам: как поддержать ПостНауку
Добавить в закладки
Вы сможете увидеть эту публикацию в личном кабинете
FAQ FAQ: История звездного неба
Добавить в закладки
Вы сможете увидеть эту публикацию в личном кабинете
Видео
3488
Современные методы управления светом
Добавить в закладки
Вы сможете увидеть эту публикацию в личном кабинете
FAQ Профессия — ученый: computer scientist
Добавить в закладки
Вы сможете увидеть эту публикацию в личном кабинете
FAQ Instagram недели: жизнь астронавтки NASA
Добавить в закладки
Вы сможете увидеть эту публикацию в личном кабинете
Журнал Тяжелая рука энтропии
Добавить в закладки
Вы сможете увидеть эту публикацию в личном кабинете
tv Лазерное охлаждение и захват атомов лития-7
Добавить в закладки
Вы сможете увидеть эту публикацию в личном кабинете
tv Интервью со специалистом в области ИИ Константином Яковлевым // Live
Добавить в закладки
Вы сможете увидеть эту публикацию в личном кабинете
Видео
97537
835
Информационный парадокс Хокинга
Найти чёрную дыру для астрономов совсем непростое дело, тем более определить её массу: чёрную дыру невозможно наблюдать непосредственно. Как же тогда определить её массу?
Фото: NASA/JPL-Caltech/UCLA via Getty Images
Как можно оценить то, что не поддается прямому наблюдению? Астрономы Европейской южной обсерватории ESO нашли ответ на этот вопрос: недавно разработан метод, с помощью которого им удалось определить массу чёрной дыры в галактике NGC 4526. По расчёту учёных, она составляет около 500 миллионов солнечных масс.
За основу астрономы использовали движение молекулярного газа, в данном случае, окись углерода, которая вращается вокруг чёрной дыры. Из скорости газовых облаков, можно сделать выводы о массе. Аналогичным образом астрономы ранее уже определили массу нескольких чёрных дыр. Но это было сделано только для несколько типов галактик.
Новая методика наблюдения за молекулярным газом может теперь позволить провести исследование гораздо большего типа галактик. Исследователи ожидают, что метод определения массы больших чёрных дыр в сотне галактик расширит наши космические окрестности. Важным шагом в науке будет узнать больше об истории чёрной дыры и окружающих её галактиках.