Презентация по физике, раздел "Астрономия".

Сверхмассивные чёрные дыры

Сверхмассивная чёрная дыра — чёрная дыра с массой 10^5—10^11 масс Солнца. Сверхмассивные чёрные дыры обнаружены в центре многих галактик, включая галактику Млечный Путь .

Специфические свойства

• средняя плотность сверхмассивной чёрной дыры может быть очень мала (даже меньше плотности воздуха в нижних слоях атмосферы Земли). Это объясняется тем, что радиус Шварцшильда прямо пропорционален массе, а плотность — обратно пропорциональна объёму. Далее, объём сферического объекта прямо пропорционален кубу радиуса. В результате средняя плотность чёрной дыры уменьшается с увеличением её массы.
• приливные силы около горизонта событий значительно слабее из-за того, что центральная сингулярность расположена так далеко от горизонта, что гипотетический космонавт, путешествующий к центру чёрной дыры, не почувствует воздействия экстремальных приливных сил до тех пор, пока не погрузится в неё очень глубоко.
• сверхмассивные чёрные дыры являются источником почти всех космических нейтрино.

Формирование

Общепринятой теории образования чёрных дыр такой массы ещё нет, но существует несколько гипотез, о которых мне хотелось бы рассказать.

• Наиболее распространенной является гипотеза, описывающая постепенное наращивание массы чёрной дыры аккрецией вещества на чёрную дыру звёздной массы.

• Следующая гипотеза предполагает, что сверхмассивные чёрные дыры образуются при коллапсе больших газовых облаков и при их превращении в релятивистскую звезду массой в несколько сотен тысяч солнечных масс или больше. Такая звезда быстро становится нестабильной к радиальным возмущениям в связи с процессами образования электронно-позитронных пар, происходящими в её ядре, и может сколлапсировать сразу в чёрную дыру. При этом коллапс идёт минуя стадию сверхновой, при которой взрыв разбросал бы большую часть массы, не позволив образоваться сверхмассивной чёрной дыре.

• Ещё одна гипотеза предполагает, что сверхмассивные чёрные дыры могли образоваться в результате коллапса плотных звёздных кластеров, когда отрицательная теплоёмкость системы приводит дисперсию скорости в ядре к релятивистским значениям.

• И наконец, первичные чёрные дыры могли образоваться из начальных возмущений сразу после Большого взрыва.

Трудность образования сверхмассивной чёрной дыры заключается в том, что достаточное для этого количество вещества должно быть сконцентрировано в небольшом объёме. Для этого у материи должен быть очень малый начальный угловой момент — то есть медленное вращение. Обычно скорость аккреции на чёрную дыру ограничена именно угловым моментом падающей материи, который должен быть в основном передан обратно наружу, что и ограничивает скорость роста массы чёрной дыры.

Обнаружение

Сейчас единственный достоверный способ отличить чёрную дыру от объекта другого типа состоит в том, чтобы измерить массу и размеры объекта и сравнить его радиус с гравитационным радиусом.

В настоящее время разрешающая способность телескопов недостаточна для того, чтобы различать области пространства размером порядка гравитационного радиуса чёрной дыры. Поэтому в идентификации сверхмассивных чёрных дыр есть определённая степень допущения. Считается, что установленный верхний предел размеров этих объектов недостаточен, чтобы рассматривать их как скопления белых или коричневых карликов, нейтронных звёзд, чёрных дыр обычной массы.

Сверхмассивная чёрная дыра в центре Млечного пути

Долгое время центр нашей Галактики, приблизительное положение которого (созвездие Стрельца) было известно по оптическим наблюдениям, не был ассоциирован ни с каким компактным астрономическим объектом. Только в 1960 году Дж. Оорт и Г. Рогур установили, что в непосредственной близости (менее 0,03°) от галактического центра находится радиоисточник Стрелец A*. В 1966 году Д. Даунс и А. Максвелл, обобщив данные по радионаблюдениям в дециметровом и сантиметровом диапазонах, пришли к выводу, что малое ядро Галактики представляет собой объект диаметром 10 пк, связанный с источником Стрелец-А.

К началу 1970-х годов благодаря наблюдениям в радиоволновом диапазоне было известно, что радиоисточник Стрелец-А имеет сложную пространственную структуру. В 1971 году Даунс и Мартин, проводя наблюдения на Кембриджском радиотелескопе выяснили, что радиоисточник состоит из двух диффузных облаков, находящихся на расстоянии 1’ друг от друга: восточная часть (Sgr A) излучает радиоволновой спектр нетермической природы, а западная (Sgr A*) представляет собой радиоизлучающее облако горячего ионизированного газа диаметром около 1,8 пк. В 1974 году Б. Балик и С. Сандерс провели на 43-метровом радиотелескопе Национальной радиоастрономической обсерватории картографирование радиоисточника Стрелец-А на част. Было обнаружено, что оба радиоисточника представляют собой компактные образования диаметром менее 10" (0,4 пк), окружённые облаками горячего газа.

В мае 2022 года благодаря телескопу Event Horizon удалось сделать первый снимок сверхмассивной черной дыры Стрелец А* в центре нашей галактики. Это изображение - еще один шаг вперед в истории Млечного Пути и научных исследований.

Стрелец А* выглядит просто пятнышком, если смотреть с Земли, удаленной от нас на 26 000 световых лет. Поэтому для получения его изображения требуется невероятно высокое разрешение.

Первое изображение черной дыры было получено EHT в 2019 году. Это была сверхмассивная черная дыра в центре галактики Мессье 87. EHT смог разрешить этот объект благодаря системе синхронизации нескольких телескопов, разбросанных по всей поверхности Земли. В частности, астрономы использовали Very-Long-Baseline-Interferometry (VLBI) - метод, который объединяет наблюдательную мощность и данные телескопов по всему миру для создания гигантского виртуального радиотелескопа.

сравнение М87* и Sgr A*

Стрелец A* и M87* кажутся удивительно похожими, несмотря на то, что черная дыра в нашей галактике более чем в тысячу раз меньше и менее массивна, чем M87*.

"Мы были поражены тем, как размер кольца согласуется с предсказаниями общей теории относительности Эйнштейна", — сказал научный сотрудник проекта EHT Джеффри Боуэр из Института астрономии и астрофизики Academia Sinica в Тайбэе. "Эти беспрецедентные наблюдения значительно улучшили наше понимание того, что происходит в центре нашей галактики. И они предлагают новое понимание того, как эти гигантские черные дыры взаимодействуют со своим окружением."

"У нас есть два совершенно разных типа галактик и две очень разные массы черных дыр. Однако вблизи края эти черные дыры выглядят удивительно похожими", — говорит Сера Маркофф, сопредседатель научного совета EHT и профессор теоретической астрофизики Амстердамского университета. "Это говорит нам о том, что общая относительность управляет этими объектами вблизи, а любые различия, которые мы видим дальше, должны быть вызваны различиями в материале, окружающем черные дыры".

Почему было так сложно увидеть Стрелец А*?

Ученый EHT Чи-Кван Чан из обсерватории Стюард, факультета астрономии и Института науки о данных Аризонского университета, США, объясняет: "Газ в окрестностях черных дыр движется с одинаковой скоростью - почти так же быстро, как свет - вокруг Стрелец A* и M87*. Но там, где газу требуются дни или недели, чтобы совершить оборот вокруг большей M87*, в гораздо меньшей Стрелец A* он совершает оборот за минуты. Это означает, что яркость и структура газа вокруг Стрелец A* быстро менялись, пока коллаборация EHT наблюдала за этим". Чтобы описать движение газа вокруг Стрелец A*, исследователям пришлось разработать новые сложные инструменты. M87* была более легкой и стабильной целью, в отличие от "нашей" черной дыры.

Работа велась в течение пяти лет с использованием суперкомпьютеров для объединения и анализа данных, при этом была собрана библиотека смоделированных черных дыр для сравнения с наблюдениями. Усилия более чем 300 исследователей из 80 институтов по всему миру, которые вместе составляют коллаборацию EHT, позволили добиться этого замечательного достижения.

"Теперь мы можем изучить различия между этими двумя сверхмассивными черными дырами, чтобы получить новые ценные подсказки о том, как работает этот важный процесс", — сказал ученый EHT Кейичи Асада из Института астрономии и астрофизики Academia Sinica, Тайбэй. "У нас есть изображения двух черных дыр - одной на большом и одной на малом конце сверхмассивных черных дыр во Вселенной. Таким образом, мы можем пойти гораздо дальше в проверке поведения гравитации в этих экстремальных условиях, чем когда-либо прежде".

Надеюсь, в ближайшем будущем ЕНТ смогут раскрыть ещё более глубокие тайны нашей галактики, а в частности, чёрной дыры Стрелец А*.