Неуловимая черная дыра средней массы обнаружена

Автор оригинала: Jonathan O'Callaghan
  • Перевод
Раньше считалось, что черные дыры бывают либо совсем небольшого размера, либо огромного — XXL. Однако, благодаря новой стратегии поиска, ученым удалось обнаружить черную дыру средней, «промежуточной» массы, что дает нам надежду на выявление новых подобных областей.

Черная дыра средней массы — отсутствующее звено между черными дырами размером со звезду и сверхмассивными гигантами.

В центре почти каждой большой галактики находится сверхмассивная черная дыра. Эти титаны, превышающие массу Солнца в миллиарды раз, влияют на эволюцию галактик, в сердце которых они расположены.

Однако астрономы не могут понять, как они достигли таких огромных размеров. Похоже, что некоторые из них сформировались всего 600 миллионов лет спустя после Большого взрыва, когда возраст Вселенной составлял лишь 4% от ее нынешнего возраста. С точки зрения того, как мы понимаем процесс роста черных дыр, это кажется невозможным. «Для создания такой массивной черной дыры так рано ― просто не хватило бы времени», — утверждает Лукаш Выржиковский, астроном из Варшавского университета. «То есть без чего-то такого, из чего они могли бы вырасти», — уточняет он.

Такими «семенами», как полагают, могут быть черные дыры средней массы — гигантские черные дыры, недостающее звено между черными дырами звездной массы, образованными в результате смерти звезд, и сверхмассивными черными дырами. Черные дыры средней массы должны весить от 100 до 100 000 солнечных масс, и, по мнению ученых, они представляют собой важнейший этап в процессе роста монстров в центрах галактик.

Главная проблема в том, что их сложно обнаружить. «Черные дыры ничего не излучают, — сказал Дэниел Хольц, астрофизик из Чикагского университета, — Поэтому их очень сложно найти».

Астрономы уже выявили несколько потенциальных кандидатов на звание “черная дыра средней массы”. В прошлом году при помощи космического телескопа “Хаббл” им удалось обнаружить черную дыру в 50 000 солнечных масс, поглощающую звезду; другой кандидат в 20 000 раз тяжелее Солнца, HLX-1, кажется, занят тем же.

Исследователи утверждают, что благодаря новому методу они нашли черную дыру массой до 55 000 солнечных. Статья об этом открытии была недавно опубликована в журнале Nature Astronomy, в ней также представлена стратегия поиска, которая поможет обнаружить гораздо больше подобных черных дыр в будущем.

Исследованием руководил Джеймс Пейнтер, докторант Мельбурнского университета. В 2018 году научный руководитель и соавтор Пэйнтера Рэйчел Вебстер попросила его проанализировать примерно 2700 гамма-всплесков (ярких вспышек энергии, которые, предположительно, являются результатом слияния нейтронных звезд или гигантских сверхновых звезд), данные о которых были собраны гамма-обсерваторией НАСА “Комптон” (англ. Compton Gamma Ray Observatory, CGRO) между 1991 и 2000 гг.

Он искал пары почти идентичных гамма-всплесков, следовавших один за другим с небольшим перерывом. Двойная вспышка может указывать на то, что гамма-всплеск «линзируется» объектом, находящимся между ним и нами. Таким массивным объектом, искривляющим свет всплеска на пути к Земле, может быть черная дыра средней массы.

Во всем наборе данных из 2700 гамма-всплесков автоматизированное программное обеспечение Пейнтера выделило только один случай. В 1995 году обсерватория “Комптон” зарегистрировала вспышку от предполагаемого гамма-всплеска, который произошел, когда Вселенной было около 3 миллиардов лет. Спустя полсекунды был зарегистрирован почти идентичный всплеск.

Команда пришла к выводу, что между Землей и гамма-всплеском находится черная дыра средней массы. Гамма-всплеск располагался не ровно по центру черной дыры, поэтому его свет прошел по двум разным путям, один из которых был немного длиннее. «Линза влияет на путь двух фотонов, двигающихся вдоль противоположных «краев» черной дыры, — объясняет соавтор Эрик Трейн, астрофизик из Университета Монаша. — Вот почему одну вспышку мы видим раньше другой».


Черная дыра как линза: черная дыра средней массы могла искривить изучение от далекого гамма-всплеска. Свет, двигающийся по двум путям, достигнет Земли за разное время, поэтому будет выглядеть как две вспышки.

Но это объяснение убедило не всех. По словам Натали Уэбб, астрофизика из Исследовательского института астрофизики и планетологии во Франции, одна из сложностей состоит в том, что мы не знаем, сколько черных дыр средней массы существует во Вселенной. Насколько нам должно повезти, чтобы ровно между нашей планетой и гамма-всплеском находилась такая дыра? «По расчетам некоторых людей, таких дыр огромное количество, 1000 на галактику, и в этом случае подобное может произойти», — считает Уэбб. — Если бы они встречались реже, то да, это было бы менее вероятно».

Другая проблема заключается в том, что мы недостаточно знаем о самих гамма-всплесках — возможно, вспышки появляются дважды естественным образом, а не в результате линзирования. «Они все такие разные и странные, — говорит Хольц. — Главный вопрос здесь: может ли это быть просто двойной гамма-всплеск?». Линзирование также могло быть вызвано шаровым звездным скоплением (большое скопление старых звезд, обладающее симметричной сферической формой), но команда считает, что это маловероятно, поскольку шаровые скопления в 100 раз менее распространены, чем черные дыры промежуточной массы. «Шансы, что скопление окажется в нужном месте, малы», — утверждает Трейн.

Конкретно эти вспышки были обнаружены более двух десятилетий назад, поэтому мы, скорее всего, уже никогда не узнаем наверняка. Более захватывающая перспектива заключается в том, что описанный метод — поиск черных дыр средней массы, которые действуют как линзы, — поможет нам совершить еще больше открытий в будущем.

«Выявление популяции черных дыр промежуточной массы с помощью линзирования — увлекательное занятие», — считает Хольц. Выржиковский использовал данные телескопа GAIA для поиска черных дыр средней массы, которые искривляют свет звезд, а не гамма-всплесков, но похвастаться ему пока нечем.

Черные дыры средней массы могли бы не только объяснить рост сверхмассивных черных дыр, но и предоставить доказательства в пользу другой загадки космоса — темной материи. Темная материя, которая, по мнению ученых, составляет 85% массы Вселенной, возможно, сама по себе была важнейшим ингредиентом, подпитывающим рост черных дыр промежуточной массы. «Очень сложно создать подобную ​​черную дыру из обычной материи», — утверждает Выржиковский. — Это требует слияния множества звезд, а в [ранней] Вселенной для этого было недостаточно времени».

Ожидается, что новые телескопы помогут в охоте за неуловимыми черными дырами средней массы. По словам Пейнтера, потенциал данных обсерватории “Комптон” десятилетней давности уже исчерпан, но можно проанализировать еще около 7000 гамма-всплесков, полученных с помощью других телескопов. К тому же, космический гамма-телескоп Ферми НАСА (анг. Fermi Gamma-ray Space Telescope) продолжает обнаруживать их и сейчас. «Пришло время проанализировать другие наборы данных в поисках новых случаев линзирования», — сказал Пейнтер.

Многие надеются, что загадка таинственных черных дыр промежуточной массы, а вместе с ней и рост сверхмассивных черных дыр, скоро будут решены, и не важно при помощи какого метода. «Все верят, что они есть, — говорит Трейн. — Они точно должны существовать где-то во Вселенной. Нужно только найти, где именно».
Timeweb
VDS, инфраструктура и решения для бизнеса

Комментарии 9

    0
    Правильно ли я понимаю, что проблема образования черных дыр средней массы в том, что они не могли образоваться в результате эволюции звезд, поскольку звезды не успевают набрать такую массу (50000 масс Солнца)? Гигантские звезды коллапсируют раньше, а уже после коллапса звезды, черная дыра становится слишком маленькой чтобы активно взаимодействовать с окружающими объектами. И после этого собирает вещество гораздо медленнее.
      +2
      Да. Например есть гипотезы что внутри Солнца/планет могут находится реликтовые дыры очень небольшой массы.

      Они не могут просто сьесть тело даже если они уже внутри — они банально очень маленькие, даже дыра в миллиард тонн это тысячная пикометра(еще излучение при поглощении отбрасывает массу и возникает проблема сброса момента вращения).

      А в открытом космосе ЧД захватывать материю еще сложнее.
        +3

        Все боятся, что ЧД нас проглотят. А между тем, первичные ЧД очень милые и безобидные. Они настолько малы, что их сечение взаимодействия (сечение поглощения элементарных частиц) на много порядков меньше, чем у ядерных реакций.


        Поэтому надо понимать, что для первичных ЧД наши Земля и Солнце прозрачны. Даже ещё прозрачнее, чем для нейтрино. Поэтому первичные ЧД могли бы свободно летать по орбитам вокруг центра Земли внутри (!) Земли, не причиняя нам никакого беспокойства и (почти) не выдавая себя. [На самом деле это вряд ли, т.к. ЧД всё же излучали бы хокинговские нейтрино из центра Земли, а их нет. Ну или таких ЧД, осевших к центру Земли, очень мало.]

          0

          Как она отбрасывает массу если вокруг реликтовой дыры огромное давление она же находится в центре самой массы допустим Земля. Логически не складываеться

            0
            Во-первых, давление в центре Земли конечно велико — ~4 млн атм но характерные давления для таких энергий куда выше — при ядерном взрыве порядка 10^9 атм, а при падении в ЧД КПД преобразования материи в энергию даже выше чем в бомбе.

            Во-вторых, вращательный момент — если вы попытаетесь сжать Землю до размеров ЧД, то обнаружите что скорость ее вращения увеличится до сверхсветовой. Поглощаемое вещество обычно сбрасывает лишний момент при помощи аккреционного диска.

            Впрочем все это важно для относительно тяжелых ЧД, а для очень маленькой черной дыры размером с атом и меньше этими факторами можно пренебречь и считать что она просто «кушает» атом за атомом. Поскольку Земля состоит из примерно 10^50 атомов = 100,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 это очень долгое дело.
              0

              Согласен что это объясняет сверх массивную и только частично объясняет квазар, а вот для реликтовой дыры не подходит не то и не другое проблема в том что она не кушает, она растет когда происходит слияние с другой реликтовой дырой и бог ее знает сколько нужно таких слияний чтоб она выросла до своего "совершеннолетия" когда начнет кушать атомы

          +1

          Могут образовываться звезды только в десятки солнечных масс. Дело в том, что про сжатии газо-пылевого облака (которое может быть сколь угодно большой массы) при образовании прото-звезды в какой-то момент зажигается термоядерная реакция и внешняя (лишняя) часть материала отбрасывается потоком излучения и частиц. Таким образом даже если прото-облако было очень большим, в звезду до её "запуска" успеет сжаться только его часть примерно не более 100 солнечных.


          То же самое при коллапсе больших звезд. Уж больно большая часть материала выбрасывается при взрыве так что чёрная дыра образуется только из часть массы звезды. Ну и конечно есть проблема излишнего момента вращения, на что обратили внимание в комментарии выше.

          0

          Не совсем понимаю, а почему черные дыры не могли набрать массу в изначальных условиях, когда объем пространства был меньше, а газа было столько же. Таким образом плотность вещества выше и его проще аккрецировать. Это сейчас космос зияющая пустота, а в неизведанные времена вот оно, рядом.

            +1
            Вилами по воде. Например, имел место вполне себе реальный эксперимент, проводимый Спектром — когда в качестве «линзы» использовалось водородное газовое скопление. И такая линза прекрасно работает как раз в коротковолновке. Так что не ясно, почему линзировавший объект отнесли именно к классу ЧД, чисто исходя из геометрических размеров вероятность, что это было газовое скопление на много десятичных порядков выше. А уж газа во вселенной много — спектр доказал, что «вакуум» почти в 5 раз плотнее, чем считалось, что поставило огромный вопрос на «темной материи» — количество неучтенки резко сократилось

            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

            Самое читаемое