Прежде всего: что такое черная дыра?
Черная дыра – это не "дыра" в привычном смысле, а область в космосе с настолько сильной гравитацией, что из нее не может вырваться ничего – даже свет. Это экстремально плотный объект: огромная масса "сжата" в очень малый объем. Из-за этого искривление пространства и времени становится настолько сильным, что все траектории движения ведут внутрь, пишет NASA Science.
Смотрите также Масштаб, который трудно представить: какая часть массы Солнечной системы сосредоточена в нашей звезде
Как она устроена
У черной дыры есть две ключевые части:
- Первая – это "горизонт событий". Это предел, после которого возвращение уже невозможно: чтобы выбраться, нужно двигаться быстрее света, а это физически невозможно.
- Вторая – это сингулярность в центре. Там материя сжата до состояния, где плотность формально становится бесконечной, и известные законы физики перестают работать, объясняет Encyclopedia Britannica
Как они возникают
Самый распространенный сценарий – смерть массивной звезды. Когда в ней заканчивается "топливо", она больше не может противодействовать собственной гравитации и коллапсирует сама в себя. Если масса достаточно большая, образуется черная дыра.
Почему мы их "видим", если они черные
Сами черные дыры невидимы. Но вокруг них часто есть горячий диск газа и пыли, который светится (особенно в рентгеновском диапазоне), когда падает внутрь. Именно по этим эффектам их и обнаруживают.
Как взаимодействуют черные дыры и гигантские звезды?
Для того, чтобы понять, что происходит во время столкновения этих двух массивных объектов, ученые наблюдали за системой Cygnus X-1, расположенной на расстоянии около 2,22 килопарсека (что составляет примерно 7 000 световых лет) от Земли. Она состоит из черной дыры массой 21,2 ± 2,2 массы Солнца и ее спутника – голубого сверхгиганта спектрального класса O, масса которого достигает 40,6 массы Солнца.
Cygnus X-1 в оптическом спектре (слева) и рисунок художника (справа) / Изображение Chandra X-ray Center
Эти объекты вращаются вокруг общего центра масс с периодом 5,6 суток. Черная дыра активно поглощает вещество из мощного звездного ветра своего компаньона, скорость потери массы которого в 100 миллионов раз превышает солнечную.
Во время этого процесса черная дыра выпускает релятивистские струи вещества – джета. Однако, как оказалось, эти потоки не движутся по прямой. Используя данные 18-летних наблюдений с помощью сетей радиотелескопов Very Long Baseline Array (VLBA) и European VLBI Network (EVN), международная группа ученых обнаружила, что мощные звездные ветры сверхгиганта оказывают боковое давление на джеты, заставляя их искривляться примерно на 2 градуса. Этот эффект напоминает то, как сильный земной ветер отклоняет струю воды в фонтане.
Профессор Джеймс Миллер-Джонс из Университета Кертина объясняет важность этого открытия:
Зная силу ветра, команда смогла рассчитать силу, которую он оказывал на джеты, и на основе этого вывести, сколько энергии несли эти джеты в любой момент времени,
– говорит ученый.
Такой подход позволил решить давнюю проблему астрофизики – измерения мгновенной мощности джетов. Ранее ученые могли оценивать лишь среднюю мощность за тысячи или даже миллионы лет, наблюдая за пузырьками газа, которые раздувают эти струи в межзвездной среде.
Результаты оказались потрясающими: мгновенная кинетическая мощность джетов в Cygnus X-1 эквивалентна суммарному излучению 10 000 таких звезд, как наше Солнце. Скорость вещества в этих струях достигает примерно 150 000 километров в секунду, что составляет около половины скорости света.
Исследование, опубликовано в Nature Astronomy, также подтвердило важный теоретический показатель: примерно 10 процентов энергии, высвобождаемой при падении материи в черную дыру, выносится джетами в открытый космос.
Какая нам с этого польза?
Доктор Стив Прабу, ведущий автор исследования, отмечает, что это открытие имеет фундаментальное значение для космологии. Хотя это предположение давно использовалось в моделях формирования галактик, оно никогда не было подтверждено прямыми наблюдениями до этого момента.
Сверхмассивные черные дыры в центрах галактик создают мощную обратную связь, впрыскивая энергию и магнитные поля в окружающее пространство. Это регулирует темпы звездообразования и формирует структуру галактик в течение миллиардов лет. Поскольку физика черных дыр считается масштабно-инвариантной (то есть одинаковой как для объектов массой в несколько солнечных, так и для миллиардов солнечных масс), данные с Cygnus X-1 становятся надежным якорем для калибровки моделей во всей Вселенной.
Также ученые смогли установить пределы наклона оси джетов относительно орбиты системы. Оказалось, что это смещение является незначительным – верхний предел составляет 8,2 градуса. Это свидетельствует о стабильности системы в течение последних 18 лет наблюдений.
Такие точные измерения помогут интерпретировать будущие данные из новых гигантских обсерваторий, таких как Square Kilometre Array, которые сейчас строятся в Австралии и Южной Африке.
Вам будет также интересно: что такое звезда класса O?
Звезда класса O – это самый горячий и самый массивный тип звезд в стандартной спектральной классификации. Она находится на самом "горячем" конце этой шкалы. Звезды класса O – это гигантские, очень яркие и экстремально горячие звезды, которые светятся голубовато-белым светом и излучают огромное количество ультрафиолета.
Температура их поверхности обычно превышает 30 000 К и может доходить до ~50 000 К и более. Масса – от примерно 15 – 20 масс Солнца и выше, иногда до 100+ масс Солнца. Светимость – в десятки тысяч и даже миллионы раз больше Солнца.
Почему они такие "экстремальные"?
Из-за огромной массы в их ядрах происходит очень интенсивный термоядерный синтез (преимущественно через CNO-цикл), поэтому они выделяют колоссальную энергию, быстро "сжигают" свое топливо и живут очень мало по космическим меркам. Продолжительность жизни таких звезд – всего несколько миллионов лет, после чего они обычно взрываются как сверхновые.
Насколько они редкие
Это самый редкий тип звезд: в нашей окрестности они составляют мизерную долю, буквально одна на миллионы.