О блокировках  |  На основном сайте Граней: https://graniru.org/Society/Science/m.132225.html

статья Черный январь

Максим Борисов, 12.01.2008

Январь - традиционное время проведения зимних конференций Американского астрономического общества (American Astronomical Society - AAS). Сообщения о многих своих открытиях астрономы сознательно придерживают до января, поэтому сейчас новости сыплются как из рога изобилия. В качестве одной из основных тем на 211-й конференции в техасском Остине (7-11 января) выступает физика черных дыр.

Система OJ287. Изображение с сайта BBC News Возможно, о самой массивной черной дыре во Вселенной, по своей массе в 18 миллиардов раз превосходящей наше Солнце, сообщили в четверг на встрече Американского астрономического общества финские астрономы во главе с Маури Валтоненом (Mauri Valtonen) из обсерватории Туорла при Университете города Турку (Tuorla Observatory, Turun yliopisto). До этого момента исследователи уже предполагали, что черные дыры подобной массы могут таиться в центрах квазаров, однако теперь появилось наконец первое прямое подтверждение возможности существования такого "космического супертяжеловеса". Речь идет о двойной системе, состоящей из двух черных дыр, - квазаре OJ287, расположенном в 3,5 миллиарда световых лет от нас в созвездии Рака. Он в 6 раз массивнее предыдущего рекордсмена такого рода.

Компаньон гиганта значительно легче - он весит всего 100 миллионов солнц, однако именно благодаря его присутствию удалось вычислить массу нового рекордсмена. "Меньшой брат" при обращении вокруг более массивного сотоварища по вытянутой (эксцентричной) орбите испытывает ярко выраженную прецессию (в согласии с Общей теорией относительности Эйнштейна). Подобную прецессию испытывает и Меркурий при вращении вокруг нашего Солнца, однако в этом случае масштаб эффекта несравненно скромнее - ограничивается 43 угловыми секундами в столетие. Релятивистские эффекты при изучении двойных пульсаров дают, соответственно, несколько градусов в год, а наш квазар и в этом смысле оказался рекордсменом - поправки составляют от 37,5 до 39,1 градуса на каждый виток. Нужно отметить, что в течении ближайшего десятка тысяч лет эти черные дыры неизбежно сольются (постепенно теряя орбитальный момент при излучении гравитационных волн).

OJ287 испускает импульсы в диапазоне от радио до оптики и рентгена, при этом присутствует пара особо мощных пиков, повторяющихся каждую дюжину лет. Предыдущая пара импульсов наблюдалась в 1994-1995 гг., а первый импульс из нынешнего набора - в 2005 г. По мнению финских астрономов, это происходит тогда, когда меньшая черная дыра пересекает аккреционный диск сверхмассивной соседки. Валтонен и его коллеги предсказали появление очередной вспышки в сентябре 2007 года (соответствующее исследование опубликовано в "Астрофизическом журнале" - Astrophysical Journal (ApJ)), и ее обнаружение международной астрономической сетью (включающей германские, скандинавские и др. телескопы) не только подтвердило гипотезу о наличии на том месте двойной системы, но и помогло узнать точную массу компонентов.

Теория Эйнштейна была таким образом подтверждена с 10%-й точностью в условиях самых экстремальных гравитационных полей, однако исследователи убеждены в том, что в ходе будущих наблюдений эту точность удастся еще повысить. Следующий импульс ожидается в январе 2016 года.

На иллюстрации:
Система OJ287. Изображение University of Turku с сайта BBC News

Источники:
Tuorla Observatory News, 20th October 2006: OJ continues to surprise - Tuorla Observatory
Biggest black hole in the cosmos discovered - NewScientist
Colossal black hole shatters the scales - Space.com
Huge black hole tips the scales - BBC News

Ссылки:
New Orbit Solutions for the Precessing Binary Black Hole Model of OJ 287
Открыта крупнейшая чёрная дыра во Вселенной
Самая большая черная дыра
Гигантскую черную дыру "положили на весы"


Впечатляющее новое изображение близкой к нам галактики Центавр A (полученное с помощью "Чандры") позволяет изучить некоторые интригующие особенности поведения активной сверхмассивной черной дыры, расположенной в галактическом центре. Фото: NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al с сайта ScienceDaily Новое исследование американских астрономов из Университета штата Пенсильвания (Pennsylvania State University- Penn State) и других институтов, основанное на данных, полученных космической рентгеновской обсерваторией NASA "Чандра" (Chandra X-ray Observatory), доставило новые свидетельства чрезвычайно быстрого вращения большинства сверхмассивных черных дыр, что также явилось косвенным подтверждением теории относительности. Вращение этих исполинов отражается на перераспределении энергии в окружающей среде и непосредственным образом сказывается на росте галактик.

Сравнивались результаты теоретического моделирования процессов, порождающих так называемые джеты (т.е. релятивистские струи вещества, исторгаемого из окрестностей черных дыр), с данными "Чандры". Изучение выборки из девяти гигантских галактик, которые демонстрируют повышенную активность, показало, что центральные черные дыры в этих галактиках должны вращаться со скоростью, приближающейся к теоретически возможному пределу.

Новое исследование подтверждает известные предположения о чрезвычайно быстром вращении некоторых звездных (т.е. рожденных в результате коллапса массивных звезд) и сверхмассивных черных дыр, что ранее уже были сделаны другими группами ученых, использовавшими косвенные методы. Согласно теории Эйнштейна, быстро вращающаяся черная дыра должна увлечь за собой само пространство, заставляя его также вращаться вокруг центральной сингулярности, и в свою очередь она сама способна раскручиваться со временем. Наша Земля, кстати, тоже закручивает вокруг себя пространство - это доказано недавним экспериментом со спутником Gravity Probe B. Компьютерные модели, созданные другими авторами, позволили предположить, что черные дыры могут весьма эффективно раскручиваться при слиянии галактик и в результате поглощения окружающего газа (перед поглощением образующего вокруг черной дыры вращающийся аккреционный диск).

"Чрезвычайно быстрое вращение может быть обычным явлением среди крупных черных дыр, - считает один из авторов нового исследования Ричард Бауэр (Richard Bower) из Даремского университета (Durham University). - Это поможет нам отыскать энергетические источники всех сверхмощных джетов, что мы наблюдаем с невероятных расстояний".

Одно из важнейших последствий наличия мощных релятивистских струй вещества, исторгаемых быстро вращающимися черными дырами в центрах галактик и в центрах скопления галактик, - это перекачка огромных количеств энергии из окрестностей коллапсара в окружающую среду. В результате этого газовые облака не могут охладиться для того, чтобы сжаться и породить звезды. Значит, быстрое вращение черных дыр в конечном счете отражается и на темпах звездообразования, ограничивая таким образом размеры галактик. Понимание деталей этой обратной связи между развитием сверхмассивных черных дыр и формированием самых массивных галактик остается важной задачей всей астрофизики.

На иллюстрации:
Впечатляющее новое изображение близкой к нам галактики Центавр A (полученное с помощью "Чандры") позволяет изучить некоторые интригующие особенности поведения активной сверхмассивной черной дыры, расположенной в галактическом центре. Фото: NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al с сайта ScienceDaily

Источники:
Chandra Data Reveal Rapidly Whirling Black Holes - Chandra Press Room
Spinning Black Holes Survey: Chandra Data Reveal Rapidly Whirling Black Holes - Chandra - Photo Album


Приблизительно 75% рентгеновского излучения из окрестностей черной дыры отправляются к Земле, не завершая оборота по орбите вокруг нее. Однако оставшаяся часть фотонов все же совершает один или же даже несколько оборотов (соответственно, красные, синие, зеленые, розовые и оранжевые линии). Изображение: Keigo Fukumura с сайта GSFC Согласно Общей теорией относительности, черные дыры при приближении к ним способны замедлять время (с точки зрения внешнего наблюдателя, падающий в черную дыру объект вообще никогда не пересечет ее границы - так называемого "горизонта событий"). Они могут также растягивать объекты (так сказывается действие чудовищных приливных сил) и проделывать другие фокусы. А если руководствоваться новым теоретическим исследованием двух астрофизиков из NASA, то гравитация черной дыры помимо всего прочего способна порождать еще один причудливый эффект: световое эхо, обуславливаемое деформацией увлекаемого при вращении черной дыры окружающего пространства-времени.

"Световое эхо порождается серьезным искривлением пространственно-временной метрики, которое предсказал Эйнштейн, - говорит Кейго Фукумура (Keigo Fukumura), работающий в Центре космических полетов имени Годдарда (Goddard Space Flight Center - GSFC). - Если черная дыра вращается достаточно быстро, то она способна буквально тянуть за собой окружающее пространство, и это может послужить причиной проявления некоторых весьма диковинных эффектов". Фукумура и его коллега по GSFC Демосфен Казанас (Demosthenes Kazanas) представили свое исследование на конференции Американского астрономического общества в среду.

Многие черные дыры окружены аккреционными дисками, в которых частицы движутся с околосветовой скоростью. Части этих дисков самопроизвольно испускают рентгеновские лучи, которые регистрируют орбитальные обсерватории вроде той же "Чандры". Однако, оказывается, не все улавливаемые фотокамерами фотоны отправляются к Земле по прямому пути; часть из них в условиях чудовищной гравитации умудряется обогнуть несколько раз черную дыру по разворачивающейся спирали. "Траектории" фотонов изгибаются под действием экстремальной гравитации, деформирующей окружающее пространство-время... Таким образом, они прибывают к наблюдателям с задержкой, которая зависит от взаиморасположения места вспышки, черной дыры и Земли.

Интересно, что если черная дыра вращается очень быстро, то задержка между приходами фотонов постоянна, не зависит от положения источника. Согласно вычислениям Фукумуры и Казанаса, приблизительно 75 процентов фотонов достигнут наблюдателя, не сделав при этом ни одного полного оборота вокруг черной дыры, а вот оставшаяся часть фотонов успеет совершить один виток или более. Наблюдатель увидит серии повторяющихся сигналов от одной и той же вспышки, разделенные приблизительно равными промежутками времени, которые обусловлены сроком, требуемым на совершение одного или большего числа оборотов вокруг черной дыры. Эти повторяющиеся квазипериодические сигналы (quasi-periodic oscillations - QPOs) и будут выглядеть как необычное световое эхо (light echoes). Например, квазипериодические колебания с периодом в 10 секунд могли бы продемонстрировать пики на 9, 21, 30, 39, 51 и 61 секунде.

Конечно, выделить нужные последовательности из "сырых" данных (где намешаны сигналы от разных "горячих точек") будет не так-то просто, но в этом деле должен помочь достаточно распространенный метод - гармонический анализ исследуемого сигнала, Фурье-анализ (основанный на разложении исследуемого сигнала - некой заданной периодической функции - в ряд Фурье).

Черная дыра массой в десять солнечных масс (сформировавшаяся из взорвавшейся звезды), вращающаяся со скоростью, составляющей не менее 95 процентов от максимально допустимой теоретически скорости, имела бы период QPOs, составляющий примерно 0,7 миллисекунды, что соответствует приблизительно 1 400 пикам в секунду. Это в три раза больше, чем любые QPOs, которые были обнаружены у черных дыр до сих пор. Рентгеновская обсерватория NASA под названием Rossi X-ray Timing Explorer могла бы зафиксировать такой высокочастотный QPOs, однако уровень сигнала при этом должен быть весьма высоким.

Обнаружение подобных высокочастотных квазипериодических осцилляций не только лишний раз подтвердило бы теорию Эйнштейна, но и позволило бы добыть уникальную информацию об изучаемой конкретной черной дыре. Частота QPOs зависит от массы черной дыры, значит, обнаружение эффекта эха дало бы в руки астрономам точный и независимый метод измерения массы даже одиночных черных дыр. Кроме того, наблюдение подобного сигнала автоматически означало бы то, что ученые имеют дело с черной дырой, вращающейся практически на максимальной скорости.

На иллюстрации:
Приблизительно 75% рентгеновского излучения из окрестностей черной дыры отправляются к Земле, не завершая оборота по орбите вокруг нее. Однако оставшаяся часть фотонов все же совершает один или же даже несколько оборотов (соответственно, красные, синие, зеленые, розовые и оранжевые линии). Изображение: Keigo Fukumura с сайта GSFC

Источники:
NASA Scientists Predict Black Hole Light Echo Show - Goddard Space Flight Center - News
Death Echos of Material Destroyed Near a Black Hole - Universe Today


Максим Борисов, 12.01.2008


новость Новости по теме