Свръхмасивна черна дупка

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към навигацията Направо към търсенето
Свръхмасивна черна дупка в ядрото на елиптичната галактика M87 от съзвездието Дева. Според изчисленията, масата на дупката е милиарди пъти по-голяма от тази на Слънцето (× M).[1] Това е първата директна снимка на черна дупка, направена на 10 април 2019 г.[2]
3D реконструкция на свръхмасивна черна дупка Artist concept of a SMBH consuming matter from a nearby star.

Свръхмасивната черна дупка е най-големият вид черна дупка, тежаща между стотици хиляди до милиарди слънчеви маси. Повечето, а може би и всички галактики, се предполага, че имат свръхмасивна черна дупка в центъра си.[3][4] В случая на Млечния път се предполага, че свръхмасивната черна дупка отговаря на разположението на Стрелец А*.[5]

Описание[редактиране | редактиране на кода]

Свръхмасивните черни дупки имат свойства, които ги различават от класификациите с по-малка маса. Средната плътност на свръхмасивна черна дупка (определяна като масата на черната дупка, разделена на обема в гравитационния ѝ радиус) в някои случаи може да бъде по-малка от плътността на водата.[6] Това е, защото гравитационният радиус (радиус на Шварцшилд) е пряко пропорционален на масата, докато плътността е обратно пропорционална на обема. Тъй като обемът на сферичен обект (например хоризонт на събитията на неротационна черна дупка) е пряко пропорционален на куба на радиуса, минималната плътност на дадена черна дупка е обратно пропорционална на квадрата на масата и следователно черните дупки с по-голяма маса има по-малка средна плътност. Освен това, приливните сили в близост от хоризонта на събитията са значително по-слаби за масивни черни дупки. Както и с плътността, приливната сила върху тяло при хоризонта на събитията е обратно пропорционална на квадрата на масата: човек на повърхността на Земята и човек при хоризонта на събитията на черна дупка с маса 10 милиона M изпитват приблизително еднаква приливна сила между главата и петите си. За разлика от звездните черни дупки, човек не би изпитал значителна приливна сила, докато не навлезе много надълбоко в черната дупка.

История на изследване[редактиране | редактиране на кода]

Доналд Линден-Бел и Мартин Рийс изказват хипотеза през 1971 г., че в центъра на Млечния път има свръхмасивна черна дупка. Стрелец А* е открита и именувана съответно на 13 и 15 февруари 1974 г. от астрономите Брус Балик и Робърт Браун, използвайки интерферометър.[7] Те откриват източник на радиовълни, излъчващ синхротронно лъчение, което е плътно и неподвижно, поради гравитация. Това е първата индикация, че свръхмасивна черна дупка съществува в центъра на Млечния път.

Образуване[редактиране | редактиране на кода]

Художествено представяне на свръхмасивна черна дупка.

Произходът на свръхмасивните черни дупки все още е отворено поле за изследване. Астрофизиците вярват, че веднъж щом черна дупка се озове в центъра на галактика, тя може да нарасне чрез акреция на материя или сливайки се с други черни дупки. Съществуват, все пак, няколко хипотези относно механизмите на образуване и първоначалните маси на прогениторите на свръхмасивните черни дупки. Най-очевидната хипотеза е, че зародишите са черни дупки с маса от десетки или стотици слънчеви маси, които са останали след взривовете на масивни звезди и растат чрез акреция на материя. Според друг модел, голям газов облак в периода преди образуването на първите звезди колапсира в „квазизвезда“, след което в черна дупка с начална маса около 20 M, а след това бързо натрупва материя, за да се превърне относително бързо в черна дупка със средна маса и, може би, в свръхмасивна черна дупка, ако акрецията не намали при по-големи маси.[8] Първоначалната квазизвезда би станала нестабилна към радиални смущения, поради произвеждането на двойки електрон-позитрон в ядрото ѝ и би могла да колапсира директно в черна дупка без взрив на супернова, който би изхвърлил по-голямата част от масата ѝ и така предотвратявайки я да остави черна дупка.

Художесвено представяне на огромното изхвърляне на материя от квазара SDSS J1106+1939.[9]
Художесвено представяне на галактика със струи от супермасивна черна дупка.[10]

Друг модел[11] включва плътен звезден куп, претърпяващ колапс на ядрото, докато отрицателния топлинен капацитет на системата води скоростната дисперсия в ядрото до релативистични скорости. Първичните черни дупки е възможно да са били създадени директно от външно налягане в първите моменти след Големия взрив. Образуването на черни дупки от умирането на първите звезди е широко изучавано и подкрепяно от наблюдения.

Трудността при образуването на свръхмасивна черна дупка се крие в нуждата от достатъчно материя, която да бъде концентрирана в достатъчно малък обем. Тази материя трябва да има много малък ъглов импулс, за да може това да се случи. Обикновено, процесът на акреция включва преместването на голям първоначален ъглов импулс към външността и това излиза, че е ограничаващият фактор при растежа на черните дупки. Това е важен компонент в теорията на акреционните дискове. Акрецията на газ е най-ефективният и най-очевидният начин, по който растат черните дупки. По-голямата част от масовия растеж на свръхмасивните черни дупки се счита, че се случва по време на епизоди от бърза газова акреция, които са наблюдаеми като активни ядра на галактики или квазари. Наблюденията разкриват, че квазарите са били много по-често срещани, когато Вселената е била по-млада, което сочи, че свръхмасивните черни дупки са се образували и са растели отрано. Голям ограничителен фактор за теориите за образуване на свръхмасивна черна дупка е наблюдението на далечни сияйни квазари, които показват, че свръхмасивни черни дупки с маса от милиарди слънчеви маси са се образували още от времето, когато Вселената е била по-млада от 1 милиард години. Това предполага, че свръхмасивни черни дупки са се появили много рано във Вселената, в центъра на първите масивни галактики.

Художествено представяне на звезди, родени от свръхмасивна черна дупка.[12]

Към момента изглежда, че има празно място в наблюдаваното разпределение на черни дупки. Има звездни черни дупки, създадени от колапсиращи звезди, които стигат до около 33 M. Минималната свръхмасивна черна дупка е приблизително 100 000 слънчеви маси. Между тези видове черни дупки изглежда, че има само оскъдица от черни дупки със средна маса. Такава празнина би предполагала различни процеси на образуване. Все пак, някои модели[13] включват възможността ултраярките рентгенови източници да са черни дупки от тази липсваща група.

Съществува, обаче, горна граница за това колко големи могат да пораснат свръхмасивните черни дупки. Така наречените ултрамасивни черни дупки, които са поне десет пъти по-големи от свръхмасивните черни дупки, изглежда, че имат теоретичен горен лимит от 50 милиарда слънчеви маси, тъй като всичко над това би забавило растежа и би причинило нестабилния акреционен диск, заобикалящ черната дупка, да се обедини в звезди.[14][15][16]

Доплерови измерения[редактиране | редактиране на кода]

Страничен изглед на черна дупка с прозрачен тороидален пръстен от йонизирана материя, според предложен модел за Стрелец А*. Това изображение показва резултата от изкривяването на светлината зад черна дупка, както и асиметрията, произтичаща от Доплеровия ефект от изключително високата орибтална скорост на материята в пръстена.

Едно от най-добрите доказателства за присъствието на черни дупки е предоставено именно от Доплеровия ефект, чрез който светлината от материя, орбитираща наблизо, се измества към червения цвят на електромагнитния спектър, когато се отдръпва, и към синия цвят, когато идва напред. За материя много близка до черната дупка орбиталната скорост трябва да е сравнима със скоростта на светлината, така че отдръпващата се материя би изглеждала много бледа, сравнена с напредващата материя, което означава, че системи с неразривно симетрични дискове и пръстени биха добили много асиметричен външен вид. Този ефект се взима предвид в съвременните компютърно генерирани изображения като примера, показан тук, основавайки се на правдоподобен модел на свръхмасивната черна дупка в Стрелец А* в центъра на галактиката ни.[17] Все пак, резолюцията, предоставена от наличната технология на телескопите е все още недостатъчна, за да се потвърдят пряко такива предсказания.

Това, което вече е наблюдавано пряко в много системи, са по-ниските нерелативистични скорости на материята, орбитираща по-далеч от черни дупки. Преки Доплерови измервания на водни мазери, заобикалящи ядрата на близки галактики, разкриват много бързо Кеплерово движение, което е възможно единствено при висока концентрация на материя в центъра. Към момента единствените познати обекти, които могат да опаковат достатъчно материя в такова малко пространство са черните дупки или други обекти, еволюиращи в черни дупки. За активните и далечни галактики широчината на широките спектрални линии може да бъде използвана, за да се проучат газовете, орбитиращи близо до хоризонта на събитията. Променливостта на тези линии може да бъде използвана, за да се измери масата и понякога въртенето на черната дупка, която захранва активна галактика.

Гравитацията от свръхмасивни черни дупки в центъра на много галактики се счита, че захранва активни обекти като Сейфертови галактики и квазари.

Емпиричната корелация между размера на свръхмасивните черни дупки и звездната скоростна дисперсия на галактическа издатина[18] се нарича съотношение M-сигма.

В Млечния път[редактиране | редактиране на кода]

Предполагаеми орбити на 6 звезди около кандидата за свръхмасивна черна дупка Стрелец А* в центъра на Млечния път.[19]

Астрономите са уверени, че Млечния път има свръхмасивна черна дупка в центъра си, на 26 000 ly от Слънчевата система, в регион наречен Стрелец А*,[20] защото:

  • Звездата S2 следва елиптична орбита с период 15,2 години и периапсида (най-близко разстояние) от 17 светлинни часа (1,8×1013 m или 120 AU) от центъра на централния обект.[21]
  • От движението на звездата S2 масата на обекта може да бъде оценена на 4,1 милиона M[22][23] или около 8,2×1036 kg.
  • Радиусът на централния обект трябва да е по-малък от 17 светлинни часа, защото иначе S2 бисе сблъскала с него. Всъщност, скорошни наблюдения на звездата S14[24] сочат, че радиусът е не повече 6,25 светлинни часа – приблизително диаметъра на орбитата на Уран. Обаче, прилагайки формулата за радиуса на Шварцшилд се получават около 41 светлинни секунди, което е логично, ако втората космическа скорост е скоростта на светлината.
  • Никой познат астрономически обект, освен черна дупка, не може да има 4,1 милиона слънчеви маси в такъв обем от пространството.

Институтът за извънземна физика „Макс Планк“ и Калифорнийският университет в Лос Анджелис[25] са предоставили най-твърдото доказателство към момента, че Стрелец A* е мястото на свръхмасивна черна дупка,[20] основавайки се на данни от Very Large Telescope[26] и Обсерваторията Кек.[27]

На 5 януари 2015 г. от НАСА докладват, че са наблюдавали рентгеново излъчване 400 пъти по-ярко от нормалното, рекордьор, от Стрелец A*. Необичайното събитие може да е било причинено от разпадането на астероид, попадащ в черна дупка, или от заплитането на линиите на магнитно поле в газ, попадащ в Стрелец A*, според астрономите.[28]

Засичането на необичайно яркото рентгеново излъчване от Стрелец A*, свръхмасивна черна дупка в центъра на Млечния път.[28]

Извън Млечния път[редактиране | редактиране на кода]

Художествено представяне на свръхмасивна черна дупка, разкъсваща звезда. Отдолу: свръхмасивна черна дупка поглъщаша звезда в галактика RX J1242-11 – рентген (ляво) и оптика (дясно).[29]

Ясно динамично доказателство за свръхмасивни черни дупки има само в няколко галактики.[30] Сред тях са Млечния път, галактиките M31 и M32 от местната група и няколко галактики отвъд местната група, като NGC 4395. В тези галактики, средно квадратичните скорости на звездите или газовете се повишава с около 1/r близо до центъра, което сочи, че има централна точка с голяма маса. Във всички останали галактики, наблюдавани към момента, средно квадратичните скорости са равни или даже намаляващи, което прави невъзможна констатацията дали в тях има свръхмасивна черна дупка или не.[30] Въпреки това, широко е прието, че в центъра на почти всяка галактика има свръхмасивна черна дупка.[31] Причината за това предположение е съотношението M-сигма – тясна връзка между масата на дупката в около 10 галактики с потвърдено засичане и скоростната дисперсия на звездите в издатините на тези галактики.[32] Това съотношение, макар базирано едва на няколко галактики, предполага силна връзка между образуването на черната дупка и самата галактика.[31]

Фотография на телескопа Хъбъл на дългата 4400 светлинни години релативистична струя на M87, която представлява материя, изхвърлена от свръхмасивна черна дупка с маса 6,4×109 M в центъра на галактиката.

Близката галактика Андромеда на 2,5 милиона светлинни години съдържа централна черна дупка с маса (1.1 – 2.3) × 108 (110 – 230 милиона) M, значително по-голяма от тази в Млечния път.[33] Най-голямата свръхмасивна черна дупка в близост до Млечния път изглежда, че е тази в M87, с маса приблизително (6.4 ± 0.5) × 109 (~6,4 милиарда) M на разстояние от 53,5 милиона светлинни години.[34][35] На 5 декември 2011 г. астрономи откриват най-голямата свръхмасивна черна дупка в близката вселена – тази в свръхгигантската елиптична галактика NGC 4889, с маса 2,1×1010 (21 милиарда) M на разстояние от 336 милиона светлинни години в съзвездието Косите на Вероника.[36] Черните дупките в квазарите са доста по-големи, поради тяхното продължително състояние на растеж. Хиперяркият квазар APM 08279+5255 има свръхмасивна черна дупка с маса 2,3×1010 (23 милиарда) M. Още по-голяма свръхмасивна черна дупка е намерена в квазара S5 0014+81, която тежи 4,0×1010 (40 милиарда) M или 10 000 пъти по-голяма от тази в центъра на Млечния път. И двата квазара са на 12,1 милиарда светлинни години.

Някой галактики като галактиката 4C +37.11 изглежда, че имат две свръхмасивни черни дупки в центъра си, образувайки бинарна система. Ако се сблъскат, събитието би предизвикало силни гравитационни вълни.[37] Бинарните свръхмасивни черни дупки се смятат за често срещана последица от сливането на галактики.[38] Бинарната двойка в OJ 287 на 3,5 милиарда светлинни години съдържа най-масивната двойка черни дупки, с оценена маса от 18 милиарда M.[39]

На 28 март 2011 г. е забелязана свръхмасивна черна дупка да разкъсва средно голяма звезда.[40] Това е единственото вероятно обяснение за наблюдаваното през същия ден спонтанно рентгеново лъчение.[41][42] Източникът е по-рано неактивното галактическо ядро, а от изследване на изблика става ясно, че галактическото ядро е свръхмасивна черна дупка от порядъка на милион слънчеви маси. Това рядко събитие се счита за релативистично изтичане (материал бива изхвърлян в струя при значителна част от скоростта на светлината) от звезда, която е разрушена от приливната сила на свръхмасивната черна дупка. Значителна част от звезден материал се очаква да се е натрупала в свръхмасивната черна дупка. Последващо дългосрочно наблюдение би позволило това предположение да бъде потвърдено, ако емисиите от струята се разпадат с очакваната скорост за акреция на маса върху свръхмасивна черна дупка.

Газов облак с неколкократно по-голяма маса от тази на Земята се ускорява към свръхмасивна черна дупка в центъра на Млечния път.

През 2012 г. астрономи докладват за необичайно голяма маса от приблизително 17 милиарда M за черната дупка в компактната лещовидна галактика NGC 1277, която се намира на 220 милиона светлинни години в съзвездието Персей. Предполагаемата черна дупка има приблизително 59% от масата на издадеността на тази лещовидна галактика (14% от общата звездна маса на галактиката).[43] Друго проучване стига до съвсем различно заключение: тази черна дупка не е толкова масивна, като най-вероятно маса ѝ е между 2 и 5 милиарда M.[44] На 28 февруари 2013 г. астрономи използват сателита NuSTAR за да измерят с точност въртенето на свръхмасивна черна дупка за пръв път, в NGC 1365, и докладват, че хоризонта на събитията се върти с почти скоростта на светлината.[45][46]

През септември 2014 г. данни от различни рентгенови телескопи показват, че изключително малката и плътна M60-UCD1 е дом на черна дупка с маса 20 милиона слънчеви маси в центъра си, която допринася за 10% от общата маса на галактиката. Откритието е доста изненадващо, тъй като черната дупка е пет пъти по-масивна от черната дупка в Млечния път, въпреки че галактиката е с маса по-малка от 5/1000 от тази на Млечния път.

Някои галактики нямат свръхмасивни черни дупки в центровете си. Въпреки че повечето галактики без свръхмасивни черни дупки са много малки, едно откритие остава мистерия: свръхгигантската елиптична галактика A2261-BCG не съдържа активна свръхмасивна черна дупка, въпреки че галактиката е една от най-големите познати галактики – десет пъти по-голяма и хиляда пъти по-масивна от Млечния път. Тъй като свръхмасивната черна дупка е видима единствено при акреция, една свръхмасивна черна дупка може да бъде почти невидима, освен чрез ефекта си върху звездните орбити.

Източници[редактиране | редактиране на кода]

  1. Oldham, L. J.. Galaxy structure from multiple tracers – II. M87 from parsec to megaparsec scales. // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 457 (1). март 2016. DOI:10.1093/mnras/stv2982. с. 421 – 439.
  2. Overbye, Dennis. Black Hole Picture Revealed for the First Time – Astronomers at last have captured an image of the darkest entities in the cosmos – Comments. // The New York Times. 10 април 2019. Посетен на 10 април 2019.
  3. Antonucci, R.. Unified Models for Active Galactic Nuclei and Quasars. // Annual Reviews in Astronomy and Astrophysics 31 (1). 1993. DOI:10.1146/annurev.aa.31.090193.002353. с. 473 – 521.
  4. Urry, C. и др. Unified Schemes for Radio-Loud Active Galactic Nuclei. // Publications of the Astronomical Society of the Pacific 107. 1995. DOI:10.1086/133630. с. 803 – 845.
  5. Schödel, R.. A star in a 15.2-year orbit around the supermassive black hole at the centre of the Milky Way. // Nature 419 (6908). 2002. DOI:10.1038/nature01121. с. 694 – 696.
  6. Celotti, A. и др. Astrophysical evidence for the existence of black holes. // Class. Quant. Grav. 16 (12A). 1999. DOI:– 9381/16/12A/301 10.1088/0264 – 9381/16/12A/301. с. A3–A21.
  7. Fulvio Melia (2007). The Galactic Supermassive Black Hole. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-13129-0. с. 2
  8. Begelman, M. C.. Formation of supermassive black holes by direct collapse in pre-galactic haloed. // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 370 (1). Jun 2006. DOI:10.1111/j.1365-2966.2006.10467.x. с. 289 – 298.
  9. Biggest Black Hole Blast Discovered. // ESO Press Release.
  10. Artist’s illustration of galaxy with jets from a supermassive black hole. //
  11. Spitzer, L.. Dynamical Evolution of Globular Clusters. Princeton University Press, 1987. ISBN 0-691-08309-6.
  12. Stars Born in Winds from Supermassive Black Holes – ESO’s VLT spots brand-new type of star formation. // www.eso.org.
  13. Winter, L.M.. XMM-Newton Archival Study of the ULX Population in Nearby Galaxies. // Astrophysical Journal 649 (2). Oct 2006. DOI:10.1086/506579. с. 730 – 752.
  14. futurism.com
  15. www.sciencemag.org
  16. www2.le.ac.uk
  17. O. Straub, F.H. Vincent, M.A. Abramowicz, E. Gourgoulhon, T. Paumard, Modelling the black hole silhouette in Sgr A* with ion tori, Astron. Astroph. 543 (2012) A83.
  18. Gultekin K. The M and M-L Relations in Galactic Bulges, and Determinations of Their Intrinsic Scatter. // The Astrophysical Journal 698 (1). 2009. DOI:10.1088/0004-637X/698/1/198. с. 198 – 221.
  19. Eisenhauer. SINFONI in the Galactic Center: Young Stars and Infrared Flares in the Central Light-Month. // The Astrophysical Journal 628. 2005. DOI:10.1086/430667. с. 246 – 259.
  20. а б Henderson, Mark. Astronomers confirm black hole at the heart of the Milky Way. // London, Times Online, 9 декември 2008.
  21. Schödel, R.. A star in a 15.2-year orbit around the supermassive black hole at the centre of the Milky Way. // Nature 419 (6908). 17 октомври 2002. DOI:10.1038/nature01121. с. 694 – 696.
  22. Ghez, A. M.. Measuring Distance and Properties of the Milky Way's Central Supermassive Black Hole with Stellar Orbits. // Astrophysical Journal 689 (2). декември 2008. DOI:10.1086/592738. с. 1044 – 1062.
  23. Milky Way's Central Monster Measured
  24. Ghez, A. M.. Stellar Orbits around the Galactic Center Black Hole. // The Astrophysical Journal 620 (2). май 2005. DOI:10.1086/427175. с. 744 – 757.
  25. UCLA Galactic Center Group
  26. ESO – 2002
  27. | W. M. Keck Observatory. // Keckobservatory.org.
  28. а б RELEASE 15 – 001 – NASA’s Chandra Detects Record-Breaking Outburst from Milky Way’s Black Hole. // NASA. 5 януари 2015.
  29. Chandra
  30. а б Merritt, David. Dynamics and Evolution of Galactic Nuclei. Princeton, NJ, Princeton University Press, 2013. ISBN 9780691158600. с. 23.
  31. а б King, Andrew. Black Holes, Galaxy Formation, and the MBH-σ Relation. // The Astrophysical Journal Letters 596. 15 септември 2003. DOI:10.1086/379143. с. L27–L29.
  32. Ferrarese, Laura и др. A Fundamental Relation between Supermassive Black Holes and Their Host Galaxies. // The Astrophysical Journal 539 (1). The American Astronomical Society, 10 август 2000. DOI:10.1086/312838. с. L9–12.
  33. Bender, Ralf. HST STIS Spectroscopy of the Triple Nucleus of M31: Two Nested Disks in Keplerian Rotation around a Supermassive Black Hole. // The Astrophysical Journal 631 (1). 20 септември 2005. DOI:10.1086/432434. с. 280 – 300.
  34. Gebhardt, Karl. The Black Hole Mass, Stellar Mass-to-Light Ratio, and Dark Halo in M87. // The Astrophysical Journal 700 (2). август 2009. DOI:10.1088/0004-637X/700/2/1690. с. 1690 – 1701.
  35. Macchetto, F.. The Supermassive Black Hole of M87 and the Kinematics of Its Associated Gaseous Disk. // Astrophysical Journal 489 (2). November 1997. DOI:10.1086/304823. с. 579.
  36. Overbye, Dennis. Astronomers Find Biggest Black Holes Yet. // The New York Times.
  37. Major, Jason. Watch what happens when two supermassive black holes collide. // Universe today.
  38. D. Merritt and M. Milosavljevic (2005). „Massive Black Hole Binary Evolution.“
  39. Shiga, David. Biggest black hole in the cosmos discovered. // NewScientist.com news service, 10 януари 2008.
  40. Astronomers catch first glimpse of star being consumed by black hole. // The Sydney Morning Herald.
  41. Burrows, D. N.. Relativistic jet activity from the tidal disruption of a star by a massive black hole. // Nature 476 (7361). Aug 2011. DOI:10.1038/nature10374. с. 421 – 424.
  42. Zauderer, B. A.. Birth of a relativistic outflow in the unusual γ-ray transient Swift J164449.3+573451. // Nature 476 (7361). Aug 2011. DOI:10.1038/nature10366. с. 425 – 428.
  43. Remco C. E. van den Bosch, Karl Gebhardt, Kayhan Gültekin, Glenn van de Ven, Arjen van der Wel, Jonelle L. Walsh, An over-massive black hole in the compact lenticular galaxy NGC 1277, Nature 491, с. 729 – 731 (29 ноември 2012) DOI: 10.1038/nature11592
  44. Emsellem, Eric. Is the black hole in NGC 1277 really overmassive?. // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 433 (3). 2013. DOI:10.1093/mnras/stt840. с. 1862 – 1870.
  45. Reynolds, Christopher. Astrophysics: Black holes in a spin. // Nature 494. 2013. DOI:10.1038/494432a. с. 432 – 433.
  46. Prostak, Sergio. Astronomers: Supermassive Black Hole in NGC 1365 Spins at Nearly Light-Speed. // Sci-News.com. 28 февруари 2013.