Черные дыры: чем они опасны?

Что такое черная дыра?

Принято считать, что черная дыра - это объект, на поверхности которого сила тяжести настолько велика, что ничто его не может покинуть - даже свет. Кроме того, никто не может непосредственно наблюдать. как выглядит черная дыра - ее существование выдает лишь воздействие на окружающую среду или материал, который циркулирует поблизости и при этом нагревается до высоких температур.

Как образуются черные дыры

Черные дыры являются результатом эволюции звезд. Такие звезды, как наше Солнце, обладающие малой массой, заканчивают свою жизнь, остывая и превращаясь в так называемый белый карлик. Те же, звезды, которые во много раз превышают по массе Солнце, взрываются в конце своего существования как сверхновая, а их звездный остаток может коллапсировать в черную дыру.

Кроме того, в галактиках можно найти и сверхмассивные черные дыры, происхождение которых еще не вполне ясно.

Черная дыра опасна?

Несмотря на то, что гравитация черной дыры просто гигантская, такие объекты не обязательно опасны: не нужно представлять себе черную дыру как огромный пылесос, который бесконтрольно высасывает всю материю вокруг себя. Так же, как планеты вращаются вокруг звезды, так и звезды могут обращаться по очень устойчивым орбитам вокруг черной дыры, пока нет никакого вмешательства извне.

Только объекты, попадающие непосредственно к черной дыре, могут испытывать "неудобства" - не столько из-за огромной гравитации, сколько из-за излучения и связанных пучков частиц (так называемые джеты), которые часто выбрасываются в Пространство в окрестностях черных дыр.

Черная дыра может столкнуться другой?

Этот вопрос сейчас широко обсуждается теоретиками астрофизики. Создаются модели столкновения черных дыр в компьютерных симуляциях. У астрономов эта тема вызывает особый интерес с того момента, как выяснилось, что в центре почти всех галактик есть сверхмассивная черная дыра.

А так как предполагается, что столкновения между галактиками в ранней Вселенной были намного чаще, чем сейчас, то что-то должно было при этом происходить с центральными черными дырами. В зависимости от типа столкновения они могли сначала вращаться вокруг друг друга и затем сливаться.

В следствие этого должны были возникать гравитационные волны, которые в будущем надеются обнаружить с помощью детекторов. Черная дыра может быть также вытолкнута при такой встрече и из центра галактики.

Темная материя: открыт неизвестный сигнал

Астрономы, исследовавшие спектр рентгеновского излучения соседней галактики и галактического скопления, обнаружили слабый сигнал - спектральную линию неизвестного происхождения. Как гласит существующая теория темной материи, ее экзотические частицы нейтрализуют друг друга и излучают при этом радиацию.

Сигнал темной материи? 

Таинственная темная материя Вселенной составляет большую часть ее массы. Но из чего она состоит, пока совершенно неизвестно. "Природа темной материи - ключевой вопрос космологии и фундаментальной физики", - пояснили Алексей Боярский и его коллеги по Лейденскому университету. Исследователи предполагают, что там должен быть ранее неизвестный тип частицы, так как все уже известные не обладают нужными качествами.

Распределение темной материи (синий) и горячего газа (красный) в скоплении галактик Abell 2744-м
Фото: © NASA/ESA, J. Merten

Поиски частиц темной материи и WIMPs

Речь идет о так называемых WIMPs (слабо взаимодействующих массивных частицах), нейтрализующих друг друга при встрече. Действительно, физики недавно обнаружили первую частицу, которая одновременно является своей собственной античастицей. Такие майорановские фермионы могут быть частицами темной материи, как и лишь теоретически предполагаемый вид нейтрино: стерильные или правые нейтрино.

Астрофизики считают, что WIMPs под воздействием энергии аннигиляции предстают в виде фотона и, возможно, других частиц - после чего их можно отыскать. Весной 2014 астрономы обнаружили на маленьком участке в центре Млечного Пути высокоэнергетическое гамма-излучение. Его могут испускать частицы темной материи, однако, у ученых нет стопроцентной уверенности, что это так.

Загадочный рентгеновский сигнал из галактики Андромеда
Видео: © Федеральной политехнической школы Лозанны

Клубок линий в спектре рентгеновского излучения

Боярский и его команда искали в спектре двух галактических объектов явные рентгеновские сигналы: в галактике Андромеды и в галактическом скоплении Персей. Они анализировали данные космического телескопа XMM-Newton и целенаправлено искали спектральные линии, которые нельзя было отнести к знакомым источникам или процессам.

Проблема в том, что "рентгеновские спектры астрофизических объектов полны слабых линий, которые могут быть вызваны частицами, а также деталями приборов", - объясняют исследователи. По одному объекту трудно судить о том, являются ли линии в спектре реальным сигналом или только ошибкой аппаратуры.

Таинственный сигнал на 3,5 кэВ

Чтобы обойти эту проблему, астрономы проводили измерения на двух объектах, а также на участке пустого пространства. И они сделали открытие. "Мы нашли в рентгеновском спектре галактики Андромеда и кластера Персей слабую линию (3,5 кэВ), - пишут исследователи. - Такая линия до этого в спектрах аналогичных объектов не была известна".

Исследователи зарегистрировали линию в рентгеновском спектре.  Галактика Андромеда Фото: © NASA

Наблюдения показывают, что спектральная линия ближе к середине как галактики, так и скопления сильнее, а к краям - слабее. Это хорошо согласуется с предположением, что в их центрах особенно много темной материи. "Она, к тому же, сильнее у скопления Персей, чем у галактики Андромеда", - уточняют астрономы, что также хорошо вписывается в теорию, так как кластер является более массивным, чем галактика.

"Особенности этой спектральной линии хорошо согласуются с поведением, которое продемонстрировала бы линия, возникшая в результате распада частиц темной материи", - констатировали Боярский и его коллеги. Кроме того, эта линия отсутствовала в контрольных измерениях на площади пустого пространства, значит, это вряд ли искажения, вызванные приборами.

Есть ли такая линия в Млечном Пути?

Тем не менее данных недостаточно, чтобы считать эту линию рентгеновского спектра сигналом WIMPs. "Чтобы прийти к заключению о ее природе, нужно найти другие объекты, где появляется эта линия", - говорят исследователи. Если она будет обнаружена, например, в Млечном Пути и других галактиках, то это могло бы указать на то, что там происходит ранее неизвестный процесс.

Но если рентгеновский сигнал не будет найден, то эта область поиска таинственного сигнала WIMPs сужается.

Источник: arxiv.org

Почти исчезнувшая Конская голова

Знаменитая туманность Конская Голова - пожалуй, один из самых известных астрономических объектов. Но если рассматривать эту область неба не в видимой области света, а, например, в инфракрасном излучении, то фигуру головы лошади едва можно разглядеть. Недавно опубликованный снимок космического телескопа Спитцер показал это особенно четко.

Конская голова - туманность, известная также как Барнард 33, относится к самым популярным астрономических объектам. Она возникла из сильного разряженного межзвездного газопылевого облака и светится благодаря излучению близлежащей горячей звезды.

Газовые облака вокруг Конской головы уже распались, но сама она, по-видимому, состоит из более плотного вещества, которое не легко разрушить излучением и звездными ветрами. Астрономы считают, что структура будет существовать еще около пяти миллионов лет.

На большинстве изображений эта туманность выглядит как темный силуэт на фоне ярко светящегося газа, так же, как на снимке Very Large Telescope, вставленном в опубликованное фото. Однако Спитцер - телескоп, ведущий наблюдения в инфракрасной области, показывает регион явно по-другому. При наблюдениях в этой области длин волн можно рассмотреть также внутренние районы туманности, которые в видимом диапазоне света скрыты за пылью.

Снимок туманности Конская Голова Фото: NASA /JPL-Caltech/ESO

Изображение Спитцера показывает гораздо большую площадь, чем занимаемая туманностью Конская Голова. Мы видим там также NGC 2023 - так называемую туманность Пламя (Факел). Оба объекта являются частью находящегося в 1200 световых годах огромного комплекса в созвездии Ориона, куда входит также известная туманность Ориона.

Туманность Пламя находится возле Альнитак, звезды на востоке пояса Ориона. Ее можно увидеть на снимке в виде яркой синей точки у верхнего края туманности.

На этом инфракрасном изображении Спитцера видны различные цвета для разных длин волн в инфракрасном диапазоне. При этом синий и сине-зеленый свет излучения, исходящего от горячих звезд, а холодные объекты кажутся скорее зелеными или красноватыми. Области фотографии, для которых нет данных Спитцера, дополнены данными WISE.

Источник:  astronews.com

Магнитное поле проходит вдоль плоскости Галактики

Фото: ESA/Planck

Нежные пастельные тона и тонкая структура этого изображения напоминают мазки на холсте, сделанные искусной кистью художника. Однако это визуализация данных, полученных со спутника ЕКА “Планк”. На снимке показано, как взаимодействуют межзвездная пыль в Млечном Пути и структура магнитного поля нашей Галактики.

Астрономическим спутником “Планк” несколько лет (2009-2013) велись наблюдения, целью которых было обнаружить космический микроволновый фон, являющийся самым древним светом в истории Вселенной. Он зафиксировал также значительную эмиссию излучения рассеянного вещества на переднем плане нашей Галактики, что крайне важно для изучения звездообразования и других явлений в Млечном Пути, хотя и представляет собой помеху для космологических исследований,

Среди источников переднего плана на длинах волн, протестированных “Планком”, космическая пыль, которая пронизывает Галактику, является незначительным, но очень важным компонентом межзвездной среды. Главным образом, газ - это сырье для формирования звезд.

Межзвездные газопылевые облака тоже пронизаны магнитным полем Галактики, и самая длинная ось пылевых частиц, как правило, направлена под прямым углом к полю. В результате свет, излучаемый ими, частично 'поляризован' – он вибрирует в одном направлении - и может быть перехвачен чувствительными к поляризации датчиками космического спутника.

Исследуя данные "Планка", астрономы используют поляризованные выбросы межзвездной пыли, чтобы реконструировать магнитное поле Галактики и изучить его роль в прирастании структуры Млечного Пути, способствующему звездообразованию.

Это визуализация данных спутника ЕКА "Планк" Фото: ESA/Planck

В этом изображении цветовая гамма полностью отражает интенсивность выбросов пыли, показывая структуру межзвездных облаков в Млечном пути. Снимок построен на измерениях направления поляризованного света, излучаемого пылью, которая, в свою очередь, указывает на ориентацию магнитного поля.

На фото показана сложная связь между магнитным полем и структурой межзвездной среды вдоль плоскости Млечного Пути. В частности, расположение магнитного поля более упорядоченно вдоль плоскости Галактики, где оно следует за спиральной структурой Млечного пути. Небольшие облака видны только выше и ниже плоскости. Они появляются там, где структура магнитного поля становится менее упорядоченной.

На основе этих и других подобных наблюдений ученые, работающие с результатами работы “Планка”, обнаружили, что нитевидные (волокнистые) межзвездные облака преимущественно направлены вдоль окружающего магнитного поля, что подчеркивает важную роль магнетизма в эволюции Галактики.

Эмиссия пыли вычислена по комбинации наблюдений Планка на 353, 545 и 857 ГГц, а направление магнитного поля - на основе поляризационных данных “Планка” на 353 ГГц.

Источник: satnews.com

Не всем красивым галактикам быть супермоделями

Фото: ESA/Hubble, NASA

Орбитальный телескоп Хаббл проводит наблюдения в нашем небе и помогает нам увидеть некоторые самые красивые галактики. Его изображения представляют спиральные галактики, на фото которых искрятся яркие звёздные ясли, мощные столкновения галактик, переплетающихся и отрывающих друг от друга газ и звёзды, и эфирные неправильные галактики, похожие на стаи птиц, зависших в темных безднах космического пространства.

Однако, подобно людям, не все галактики являются супермоделями. Представленная на снимке ESA/Hubble и NASA небольшая спиральная галактика NGC 4102 по-своему привлекательна: она имеет компактно закрученные спиральные рукава и скромный, но чарующий внешний вид.

NGC 4102 размещается в северном созвездии Большой Медведицы. В ней есть так называемая LINER (прокладка ) или область ядра со спектральными линиями излучения низкой ионизации. Это означает, что ядро галактики испускает излучение особого типа, в частности, от нейтральных или слабоионизованных атомов некоторых химических элементов. Но и в этом аспекте NGC 4102 не представляет собой ничего выдающегося: ученые предполагают, что примерно у одной трети всех соседних галактик имеются ядра подобного типа.

В данном изображении объединены наблюдения в инфракрасном и видимом диапазоне, полученные широкоугольной планетарной камерой Хаббла 2 Фото: ESA/Hubble, NASA

Многие LINER-галактики содержат также регионы, где происходит интенсивное звездообразование. Считается, что это тесно связано с их центрами, но для астрономов всё ещё остается загадкой, подпитываются ли LINER-области вспышками при рождении многочисленных звезд или активный центр галактики вызывает их формирование. В NGC 4102 действительно есть такая область звездообразования вблизи её центра, где звёзды возникают более стремительно, чем в обычной галактике. Формирование звезд происходит в небольшом вращающемся диске, имеющем диаметр, равный приблизительно 1000 световых лет, и массу, составляющую примерно три миллиарда солнечных масс.

Команда астрономов, возглавляемая Стивеном Смарттом (Stephen Smartt) из Королевского университета Белфаста - под его руководством осуществлялись наблюдения, из снимков которых составлено данное изображение - на протяжении последних 15 лет находилась в поисках предшественников сверхновых звёзд в галактиках, подобных NGC 4102. В недавно опубликованной обзорной статье представлен ряд результатов, проведенных ими исследований.

Источники: nasa.gov и  spacetelescope.org

Почему редка разумная жизнь во Вселенной

Разумная жизнь во Вселенной встречается, по-видимому, не очень часто. Неудивительно, считают два исследователя: экстремальные вспышки излучения стерилизуют целые галактики. Являются ли эти гамма-всплески решением Парадокса Ферми об отсутствии инопланетян?

Есть ли жизнь во Вселенной

"Где они?" - такой вопрос был поставлен известным физиком Энрико Ферми в 1950 году в Лос-Аламосе. "Они" - это пришельцы. Учитывая невероятные размеры Вселенной и ее возраст, составляющий 13,8 миллиардов лет, уже давно должен был появиться хоть один инопланетянин, считал Ферми. "Они" должны путешествовать во Вселенной целыми толпами.

Это логическое противоречие с тех пор называется "Парадокс Ферми". Разрешить его в последние десятилетия пыталось множество ученых, выдвигавших свои теории. Одна из гипотез получила научное обоснование. Астрофизиками-теоретиками Цви Пираном (Tsvi Piran) из Еврейского университета (Иерусалим) и Раулем Хименесом (Raul Jimenez) из университета Барселоны объясняется, какой угрозой развитию жизни во Вселенной являются гамма-вспышки.

Непреодолимое препятствие развитию высшего разума

По их расчетам, которые опубликованы в сентябре на arXiv.org и скоро должны появиться в Physical Review Letters, эти огромные вспышки электромагнитного излучения бывают столь часто, что они представляют собой почти непреодолимое препятствие для развития сложных организмов.

Попав в озоновый слой планеты, такие всплески могут разрушить его и подвергнуть существующие формы жизни вредному ультрафиолетовому излучению. Развитие разумной жизни во Вселенной, по крайней мере, такой, как на Земле, будет поэтому крайне маловероятным.

Художественное изображение темного гамма-всплеска в звездных яслях. Такие гамма-вспышки относятся к самым энергоемким явлениям в Пространстве Фото: © ESO

Всплески гамма излучения или коротко: гамма-вспышки - это наиболее высокоэнергетические явления из всех до сих пор наблюдавшихся. Они были в 1967 году случайно обнаружены спутниками, которые должны были отслеживать тайные испытания ядерного оружия. Эти спутники наблюдали за гамма-излучением - короткими электромагнитными волнами, которые возникают при ядерных процессах. Но вместо скрытых ядерных испытаний они наткнулись на совершенно необъяснимые в то время всплески из глубин космоса.

В противовес своему названию, гамма-вспышки содержат широкий спектр электромагнитного излучения. Их самая высокоэнергетическая форма отправляет в пространство за промежуток от нескольких секунд до нескольких минут такое количество излучения, как Солнце на протяжении нескольких миллиардов лет своего существования. Самая сильная вспышка, зафиксированная в 2008 году спутником НАСА Swift, была в 2,5 миллиона раз ярче, чем самые яркая из наблюдавшихся сверхновых.

Ученые долго ломали головы над тем, какие процессы могут выделять такие гигантские количества энергии. И все-таки причина все еще не ясна. Считается, что самые слабые вспышки, которые длятся меньше двух секунд, возникают в результате слияния массивных объектов, например, двух нейтронных звезд или нейтронной звезды и черной дыры. Самый сильный гамма-всплеск может вызвать так называемая гиперновая звезда - крайняя форма вспышки сверхновой, взрыву которой дает толчок коллапс чрезвычайно массивных звезд.

Учитывая большое число галактик и тот факт, что мощное излучение измеримо во Вселенной на протяжении миллиардов световых лет, можно подвести итог этих чрезвычайно редких явлений: спутник Swift, который картирует вспышки с 2004 года, фиксирует в сутки. примерно один гамма-всплеск.

Продолжение в следующей статье

Источник:  spektrum.de

Звездообразование останавливает зарождение звезд

В некоторых галактиках звездообразование зашло в тупик, хотя там вполне достаточно газа и пыли. Команда ученых во главе с Джеймсом Гичем (James Geach) из британского университета Хартфордшира проводила наблюдения за большими объемами газа, вытекающего из галактики. Виновником этого астрономы считают само формирование звезд, о чем и сообщают в журнале "Nature". Из-за излучения молодых звезд из галактики может быть вытолкнуто так много материи, что, в конечном итоге, там не смогут больше рождаться никакие новые звезды.

Гич и его коллеги наблюдали галактику SDSSJ0905 + 57 в миллиметровом диапазоне электромагнитного спектра с помощью радиоинтерферометра, установленного на Плато де Буре во французских Альпах. От этой галактики к нам свет идет приблизительно 6,5 млрд. лет. Она принадлежит к категории так называемых галактик со вспышкой звездообразования, темп которого во много раз выше, чем у Млечного Пути: в нашей Галактике в год образуется от одной до двух солнечных масс новых звезд, а в SDSSJ0905 + 57 - 260.

На основе характеристики спектра излучения окиси углерода, присутствующего в облаках молекулярного газа, команда Гича смогла подтвердить поток холодного газа, который покидает галактику со скоростью до 2500 км/сек. Это примерно третья часть газа, имеющегося там, полагают астрономы. В год SDSSJ0905 + 57 теряет поэтому около ста солнечных масс вещества. Если газ продолжит вытекать с такой скоростью, галактика может исчерпать весь запас газа и пыли в течение десяти миллионов лет - прежде чем из него сформируются звезды.

Распределение окиси углерода галактики со вспышкой звездообразования SDSSJ0905 + 57

С помощью цвета показано распределение газа галактики SDSSJ0905 + 57. Большая часть его сосредоточена в ярком овале, но есть и поток газа и пыли, вытекающий из галактики.

Исследователи предполагают, что механизм, который приводит в действие этот газопылевой поток, - это само образование звезд. Так как наблюдаемая галактика с диаметром, составляющим всего триста световых лет, очень мала, излучение от молодых звезд может вытолкнуть из нее окружающий газ (для сравнения: диаметр Млечного Пути - почти 100000 световых лет). Гич и его коллеги не смогли найти другие механизмы, которые бы могли иначе объяснить поток вещества.

Удаление газа из галактики совпадает с тем, что большинство звезд возникло там около шести миллионов лет назад. Поэтому наблюдения - это доказательство того, что процессы образования звезд и возникающая из-за этого обратная связь могут влиять на эволюцию галактик на очень коротких временных отрезках в несколько миллионов лет. До сих пор не было известно, что звездная обратная связь действительно может иметь такой большой эффект.

Суперземлю обнаружили наземным телескопом

Иллюстрация © NASA/JPL-Caltech

Астрономы наблюдали транзит экзопланеты с помощью наземного телескопа, замерив, как суперземля "55 Cancri е" проходит перед своей звездой.

Впервые астрономы заметили с Земли транзит экзопланеты, проходившей перед своим светилом, похожим на Солнце. Несмотря на атмосферную турбулентность и довольно маленький размер телескопа, они зарегистрировали затемнения звезды суперземлей, проходящей перед нею. Метод, примененный ими, может помочь в будущем изучать уже найденные суперземли - "планеты-близнецы" нашей Земли, сообщают исследователи в «Astrophysical Journal Letters».

Обнаружение экзопланет с использованием метода транзита было до этого прерогативой космических телескопов. Без помех атмосферной турбулентности им проще регистрировать прохождения планеты перед своим солнцем и крошечные затемнения света. Но атмосферные помехи преодолимы, что и продемонстрировали Эрнст де Моуаж (Ernst Mooij) и его коллеги по Королевскому университету в Белфасте.

Суперземля в визире телескопа

И с наземных телескопов можно теоретически наблюдать транзит экзопланеты перед ее звездой, если та находится недалеко и планета проходит довольно близко от нее. Астрономы проверили это, используя относительно небольшой Северный оптический телескоп (Nordic Optical Telescope) на Ла-Пальма, оснащенный 2,5-метровым зеркалом. Они приспособили его инструменты и оптику для удаления из наблюдений помех атмосферной турбулентности.

Северный оптический телескоп на Ла Пальме Фото: © Кристофер Х. Стёле (Christoffer H. Støle)

С помощью этого телескопа они смогли наблюдать транзит экзопланеты "55 Cancri e" перед ее центральной звездой типа Солнца. Лишь 40 световых лет отделяют это светило от Земли - отсюда его видно из темного места просто невооруженным глазом. Ближайшая к этой звезде планета - суперземля, которая вдвое больше и в восемь раз массивнее нашей.

Крохотные затемнения звезды

Если эта планета проходит перед своей звездой, она почти два часа затемняет на 0,05 процента ее свет, что впервые зарегистрировали астрономы телескопом, размещенным на поверхности Земли. Измерение вряд ли уступает сделанным космическими телескопами, сообщают исследователи. По этим значениям они смогли правильно определить размер экзопланеты.

Сравнение размеров Земли и "55 Cancri e" Фото: © NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC)

Важное значение для будущих открытий

Такие наземные наблюдения в будущем могут быть важны, в основном, для наблюдения за недавно открытыми экзопланетами, так как НАСА и ЕКА собираются отправить в ближайшие несколько лет на поиски экзопланет два новых зонда. Миссия НАСА "TESS" должна стартовать в 2017, а миссия ЕКА "PLATO" - в 2024 году. Обе будут искать планеты у близлежащих звезд.

"Мы ожидаем, что эти миссии найдут вблизи от нас так много миров земного типа, что космические телескопы не смогут охватить все", - объясняет соавтор Мерседес Лопес-Моралес (Mercedes Lopez-Morales) - Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики (CFA). "Поэтому наземные телескопы и приборы будут играть ключевую роль в дальнейшем изучении этих планет - и мы уже доказали, что это работает".