Какие бывают черные дыры и как они могут помочь человечеству?

Типы черных дыр

Есть четыре типа черных дыр, основанные на их массе: звездные, промежуточные, сверхмассивные и миниатюрные. Наиболее известный способ образования черной дыры —- звездная смерть. По мере того как звезды достигают конца своей жизни, большинство из них раздувается, теряет массу, а затем остывает, образуя белых карликов . Но самые большие из этих огненных тел, которые по меньшей мере в 10-20 раз массивнее нашего Солнца, суждено стать либо сверхплотными нейтронными звездами, либо так называемыми черными дырами звездной массы.

Чёрные дыры звёздной массы — маленькие, но смертельные

Млечный Путь содержит около ста миллионов черных дыр, которые образовались в результате коллапса очень массивных звезд. Каждая из этих звездных черных дыр весит примерно в 10 раз больше нашего Солнца. Очень немногие из этих черных дыр находятся на близком расстоянии от обычной звезды, которая медленно перетекает в черную дыру. Когда этот газ падает в сторону черной дыры, он нагревается сильной гравитацией и трением. Рядом с черной дырой газ достигает типичной температуры 10 миллионов градусов по Цельсию. Эти источники рентгеновского излучения черных дыр легко наблюдать по всему Млечному Пути, а также в близлежащих галактиках с помощью орбитальных рентгеновских обсерваторий.

Примечательно, что любая черная дыра полностью описывается всего двумя числами, которые определяют ее массу и скорость вращения. Мы не знаем ничего более простого, кроме элементарной частицы, такой как электрон. Ученые из CFA измерили оба этих фундаментальных параметра — массу и спин — для более чем дюжины звездных черных дыр, изучая все аспекты этих черных дыр и их систем.

Несмотря на свою повсеместность во Вселенной, черные дыры остаются крайне загадочными объектами. Нам нужна теория квантовой гравитации, которая объединит теорию относительности Эйнштейна 1916 года с теорией квантовой механики 1926 года. Такой теории не существует, несмотря на десятилетия теоретических усилий физиков, изучающих теорию струн и других специалистов. Создание теории квантовой гравитации станет венцом физики наравне с достижениями Ньютона, Эйнштейна и других гигантов.

Чёрная дыра средней массы (IMBH) — застряли посередине

Между классами черных дыр звездной величины и сверхмассивных должен существовать еще один — промежуточный. Во всяком случае, по законам логики. Разве не должны существовать черные дыры среднего размера, которые определяют разницу между черными дырами звездной массы и сверхмассивными черными дырами? Эти космические средние массы, которые могут варьироваться от примерно 100 до 1 миллиона солнечных масс — хотя конкретный диапазон варьируется в зависимости от того, кого вы спросите, — называются черными дырами промежуточной массы (Intermediate-mass black holes, IMBHs). И хотя астрономы нашли несколько убедительных кандидатов на IMBH, разбросанных по всей Вселенной, вопрос о том, действительно ли они существуют, все еще не решен. Однако улик начинает накапливаться.

Хотя окончательное доказательство существования IMBH остается неуловимым, за последние несколько десятилетий был проведен ряд исследований, в которых были обнаружены интригующие доказательства, намекающие на существование этих не очень больших, не очень маленьких черных дыр.

Например, в 2003 году исследователи использовали космическую обсерваторию ЕКА XMM-Newton, чтобы идентифицировать два сильных, различных источника рентгеновского излучения в соседней галактике со вспышкой звездообразования NGC 1313. Потому что черные дыры, как правило, яростно поглощают материал, который приближается слишком близко, и изрыгает высоко. -энергетическое излучение, они являются одними из самых сильных известных источников рентгеновского излучения. Определив источники рентгеновского излучения в NGC 1313 и изучив, как они периодически вспыхивают, в 2015 году исследователи смогли ограничить массу одной из предполагаемых черных дыр галактики, известной как NGC 1313 X-1. Они подсчитали, что это примерно в 5000 раз больше массы Солнца, плюс-минус, что уверенно помещает ее в диапазон масс черной дыры промежуточной массы.

Точно так же в 2009 году исследователи обнаружили еще более сильные свидетельство существования черной дыры среднего размера. Расположенный примерно в 290 млн световых лет от края галактики ESO 243-49, команда наблюдала невероятно яркий рентгеновский источник под названием HLX-1 (гиперсветящийся источник рентгеновского излучения номер один, Hyper-Luminous X-ray source 1), не имеющий оптического аналога. Это говорит о том, что наблюдаемый объект не просто звезда или галактика. Кроме того, исследователи обнаружили, что рентгеновская сигнатура HLX-1 менялась со временем, предполагая, что черная дыра становится ярче каждый раз, когда ближайшая звезда приближается к ней, подавая газ и вызывая короткие вспышки рентгеновских лучей, которые затем медленно исчезают. прочь. Основываясь на яркости наблюдаемых вспышек, исследователи рассчитали минимальную массу черной дыры примерно в 500 раз больше массы Солнца, хотя по некоторым оценкам ее вес приближается к 20 000 масс Солнца.

Планковская чёрная дыра (Micro black hole)

Планковская чёрная дыра — гипотетическая чёрная дыра с минимально возможной массой, которая равна планковской массе.

Плотность вещества такой чёрной дыры составляет около 10⁹⁴ кг/м³ и, возможно, является максимальной достижимой плотностью массы. Физика на таких масштабах должна описываться пока не разработанными теориями квантовой гравитации. Такой объект тождественен гипотетической элементарной частице с (предположительно) максимально возможной массой — максимону.

Планковские чёрные дыры характеризует крайне малое сечение взаимодействия. Малость сечения взаимодействия нейтральных максимонов с веществом приводит к тому, что значительная (или даже основная) часть материи во Вселенной в настоящее время могла бы состоять из максимонов, не приводя к противоречию с наблюдениями. В частности, максимоны могли бы играть роль невидимого вещества (темной материи), существование которого признается в настоящее время в космологии.

Сверхмассивные черные дыры — рождение гигантов

Маленькие черные дыры населяют вселенную, но их кузены, сверхмассивные черные дыры, доминируют. Эти огромные черные дыры в миллионы или даже миллиарды раз массивнее Солнца, но имеют примерно такой же размер в диаметре. Считается, что такие черные дыры находятся в центре практически каждой галактики, включая Млечный Путь.

Ученые не уверены, как возникают такие большие черные дыры. После того, как эти гиганты сформировались, они собирают массу из пыли и газа вокруг себя, материала, которого много в центре галактик, что позволяет им вырасти до еще более огромных размеров.

Сверхмассивные черные дыры могут быть результатом слияния сотен или тысяч крошечных черных дыр. Большие газовые облака также могут быть ответственны за их коллапс и быстрое увеличение массы. Или это коллапс звездного скопления, группы звезд, падающих вместе. Сверхмассивные черные дыры могут возникать из больших скоплений темной материи. Это вещество, которое мы можем наблюдать через его гравитационное воздействие на другие объекты; однако мы не знаем, из чего состоит темная материя, потому что она не излучает свет и не может быть непосредственно наблюдаемой.

Новый класс черных дыр — «сверхсверхмассивные» или огромные черные дыры

Итак, как мы уже знаем, наша Вселенная содержит огромные черные дыры. Сверхмассивная черная дыра в центре нашей галактики имеет массу 4 миллиона Солнц, но она довольно мала, как галактические черные дыры. Масса многих галактических черных дыр составляет миллиард солнечных масс, а масса самой массивной из известных черных дыр оценивается примерно в 70 миллиардов Солнц. Но насколько большой может быть черная дыра?

Чтобы черная дыра стала действительно массивной, она должна поглотить большое количество вещества в начале своей жизни. Если она медленно потребляет материю, тогда окружающая ее галактика встанет на свое место, и Вселенная расширится, так что черная дыра не сможет захватить намного больше вещества. Но когда черная дыра быстро поглощает большое количество вещества, материя становится очень горячей и имеет тенденцию отталкивать другую материю, что затрудняет рост черной дыры.

Основываясь на наблюдениях за крупнейшими черными дырами и компьютерном моделировании образования черных дыр, считается, что верхний предел массы галактических черных дыр составляет около 100 миллиардов солнечных масс. Но новое исследование предполагает, что предел массы может быть намного выше.

В работе ученых отмечается, что, хотя галактические черные дыры, вероятно, действительно имеют предел солнечной массы в сотни миллиардов, более крупные черные дыры могли образоваться независимо на ранних этапах существования Вселенной. Эти первичные черные дыры могут иметь массу более чем в миллион раз больше, чем самые большие галактические черные дыры. Исследовательская группа называет их невероятно большими черными дырами или SLABs (stupendously large black holes).

Идея первичных черных дыр существует уже давно. Они были предложены как решение всего, от темной материи до того, почему мы еще не открыли гипотетическую девятую планету в нашей солнечной системе. Но теоретические модели предполагают, что первичные черные дыры были бы намного меньше, чем даже черные дыры звездной массы, образованные из крошечных флуктуаций плотности в ранней Вселенной. Но это новое исследование предполагает, что темная материя и другие факторы могут вызвать колоссальный рост некоторых из них.

Если ранняя Вселенная была богата темной материей, особенно формой темной материи, известной как слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP), то первичная черная дыра могла потреблять темную материю, чтобы быстро расти. Поскольку темная материя не сильно взаимодействует со светом, захваченная темная материя не будет излучать много света или тепла, чтобы замедлить скорость роста. В результате эти черные дыры могли быть огромными еще до того, как Вселенная остыла и образовались галактики. Верхний предел массы SLAB будет зависеть от того, как темная материя WIMP взаимодействует с самой собой, поэтому, если мы обнаружим какие-либо SLAB, это может помочь нам понять темную материю.

Как человечество может использовать черные дыры?

Теория относительности предсказывает, что вращающиеся черные дыры можно использовать в качестве источников энергии. В 1969 году Роджер Пенроуз описал процесс, позволяющий это сделать. Вокруг вращающихся черных дыр существует эргосфера — область, предшествующая горизонту событий. Все тела в эргосфере вращаются вместе с черной дырой.

Процесс Пенроуза (также называемый механизмом Пенроуз) теоретически рассматривает черные дыры как средство извлечения энергии. Такое извлечение может произойти, если вращательная энергия черной дыры расположена не внутри горизонта событий, а снаружи — в области керровского пространства-времени. В этой эргосфере любая частица обязательно движется в локомотивном режиме одновременно с вращающимся пространством-временем, т.е. все объекты в там увлекаются им. При этом кусок вещества, попадающий в эргосферу, расщепляется на две части. Например, материя может состоять из двух частей, которые разделяются путем выстрела взрывчатого вещества или ракеты, которая раздвигает ее половинки. Импульс двух частей материи, когда они разделяются, можно организовать так, чтобы одна часть ускользнула из черной дыры (она «ускользнула в бесконечность»), а другая упала за горизонт событий в черную дыру. При тщательном размещении у убегающей части материи может быть большая масса-энергия, чем у исходной, а её падающая часть получает отрицательную массу-энергию. Хотя импульс сохраняется, эффект заключается в том, что при таком процессе можно извлечь больше энергии, чем изначально предусмотрено. Причем разница обеспечивается самой черной дырой. Таким образом, процесс приводит к небольшому уменьшению углового момента черной дыры, что соответствует передаче энергии материи. Потерянный импульс, в свою очередь, преобразуется в извлеченную энергию. 

Процесс Пенроуза указывает на возможность получения энергии из черной дыры, но его нельзя назвать хорошим практическим методом. Для его реализации необходимо, чтобы две новорожденные частицы обладали скоростью, превышающей половину скорости света. Ожидаемая частота таких событий настолько редка, что не позволит получить значительное количество энергии.

Поэтому ученые активно ищут другие механизмы. К примеру, Стивен Хокинг показал, что черные дыры могут высвобождать энергию за счет теплового излучения. Еще одним способом извлечения энергии является процесс Блэнфорда-Знаека, основанный на электромагнитном взаимодействии.

Лука Комиссо (Luca Comisso) из Колумбийского Университета и Фелипе Асенхо (Felipe A. Asenjo) из Университета Адольфо Ибаньеса описали в своей статье еще одну из альтернатив процессу Пенроуза.

Черные дыры окружены горячей плазмой, частицы которой обладают магнитным полем. Основа нового механизма получения энергии из вращающихся черных дыр — пересоединение силовых линий магнитного поля внутри эргосферы. Черная дыра при этом должна находиться во внешнем магнитном поле, иметь большой спин (a ~ 1) и окружающую ее плазму с сильной намагниченностью. Нужными свойствами обладают, например, черные дыры, образовавшиеся в результате длинных и коротких гамма-всплесков и сверхмассивные черные дыры в активных ядрах галактик.

Магнитное пересоединение ускоряет часть плазмы в направлении вращения дыры. Другая часть ускоряется в обратном направлении и падает за горизонт событий. Выделение энергии, как и в механизме Пенроуза, происходит, если поглощаемая плазма имеет отрицательную энергию, а ускоренная — «ускользает» из эргосферы. Отличие состоит в том, что для образования частиц с отрицательной энергией требуется диссипация энергии магнитного поля. В процессе, описанном Пенроузом, роль играет только инерция частиц.

Как говорят ученые, КПД описанного процесса — 150 процентов. Это значит, что процесс позволяет получить в полтора раза больше энергии, чем нужно затратить на его реализацию. Достижение КПД больше 100 процентов возможно, потому что высвобожденные из эргосферы частицы плазмы уносят энергию черной дыры. Открытие нового механизма извлечения энергии из черных дыр позволит астрономам лучше оценить их вращательный момент и понять, как они излучают энергию. До практического применения открытия еще далеко: необходимо выяснить, как долететь до черной дыры и разместить что-то в ее эргосфере, не угодив за горизонт событий.

Читать далее

Спутник Сатурна Титан удивительно похож на Землю. Какие у человечества на него планы?

Большое количество серых китов начали голодать и умирать в Тихом океане

Треть переболевших COVID-19 возвращаются в больницу. Каждый восьмой — умирает