меню содержание news228 news229 news230
Обсерватория "Чандра" разрешила парадокс черных дыр
|
Процессы, благодаря которым черные дыры могут захватывать и поглощать большие количества
материи из окружающего пространства, на самом деле базируются не только на гравитационных, но
также и на электромагнитных взаимодействиях. Это доказано благодаря изучению параметров рентге-
новского излучения от газа, окружающего относительно близкую к нам черную дыру в Млечном пути.
И хотя конкретные механизмы поглощения материи черной дырой были предсказаны теоретически
еще свыше тридцати лет назад (в 1973 году), только теперь впервые - с помощью космической рент-
геновской обсерватории "Чандра" (Chandra) - удалось получить наблюдательные подтверждения ( и,
соответственно, исключить некоторые альтернативные механизмы ). Добытые результаты обещают
оказать большое влияние на дальнейшее развитие теорий о поглощении материи черными дырами и
другими сверхкомпактными квазизвездными объектами ( публикация в научном журнале Nature -
vol 441, p 953 ).
Магнитные поля GRO J1655-40. Иллюстрация NASA/CXC/M.Weiss с сайта chandra.harvard.edu
Как известно, черные дыры (ЧД) обладают очень мощными гравитационными полями и способны
притягивать к себе большие количества газа и пыли. Этот материал формирует вокруг ЧД так называе-
мый "аккреционный диск", чем-то напоминающий систему колец Сатурна. Поскольку плотность этого
диска весьма велика, частицы в нем разогреваются от взаимного трения и активно излучают в рентге-
новском и в других диапазонах. Это излучение астрономы могут зарегистрировать и тем самым полу-
чить наблюдательные свидетельства существования черной дыры (или другого сверхкомпактного объ-
екта). По некоторым оценкам, до одной четвертой всего излучения во Вселенной (со времен Большого
взрыва) приходится на материал, падающий в "объятья" сверхмассивных черных дыр, то есть именно
их гравитация снабжает энергией квазары - самые яркие из всех известных нам объектов.
Однако, как это ни странно, одной лишь силы тяжести недостаточно для того, чтобы интенсивно по-
глощать газ... Устремляясь по спирали в "глотку" черной дыры, материя должна каким-то образом те-
рять часть своего орбитального момента (или момента импульса), а иначе бы она оставалась на орби-
те неопределенно долгое время ( как это мы наблюдаем в случае с Сатурном ). До сих пор процессы
потери частицами орбитального момента не удавалось изучить как следует, однако ученые подозрева-
ли, что происходит все это из-за магнитной турбулентности в диске. Подобная турбулентность застав-
ляет частицы в диске интенсивно взаимодействовать и терять энергию. Ну а потери орбитального
момента в свою очередь позволяют материи все больше сближаться с черной дырой.
Джон Миллер (Jon M. Miller) из Мичиганского университета (University of Michigan) и его коллеги суме-
ли отыскать первое наблюдательное свидетельство того, что именно магнитные поля ответственны
за эти процессы, наблюдая двойную систему с черной дырой звездной массы, носящую обозначение
GRO J1655-40 ( кратко - J1655 ). По сравнению с межгалактическими расстояниями, GRO J1655-40,
конечно, находится совсем "рядом" с нами - всего лишь в 10 тысячах световых лет. Рентгеновский
спектр этого объекта ( излучение высоионизированных атомов многих элементов - от кислорода до
никеля) показывает, что скорость сближения и плотность витков в диске материи, падающей на J1655,
соответствуют компьютерным моделям, в которых задействован механизм торможения посредством
магнитной турбулентности. Так, например, выясняется, что вещество движется там со скоростью 100
километров в секунду и имеет температуру около 1 миллиона градусов Цельсия. Все это противоречит
мысли, что потери можно объяснить одним лишь термодинамическим взаимодействием, поскольку
материя тогда должна была бы раскалиться до 50 миллиардов градусов.
На основании данных рентгеновского телескопа Chandra ученые построили математическую модель
аккреции (то есть падения вещества на сверхтяжелый объект), доказывающую, что одной гравитации
заведомо недостаточно.
Как объясняют астрономы, если бы черные дыры просто притягивали вещество из-за чрезмерной
массы, оно в процессе падения накапливало бы угловую скорость и оставалось "размазанным" по ор-
бите снаружи от горизонта событий - границы, которая отделяет черную дыру от остального мира.
Такой вывод следует из закона сохранения углового момента - и, например, именно поэтому спутни-
ки не падают на планеты.
Почти каждая черная дыра окружена "аккреционным диском" - облаком газа, который перед поглоще-
нием превращается в плазму и начинает излучать в рентгеновском или гамма-диапазоне. Запреты,
действительные для планет и их спутников, газ способен обойти - но только в том случае, если угло-
вой момент, теряемый падающим веществом, будет передаваться другой части облака. Такой обмен
физики называют турбуленцией - и, как выяснили в Мичиганском университете, турбуленция в аккре-
ционном диске вызвана магнитными явлениями.
Компьютерную модель "магнитной аккреции" астрофизики сравнили с поведением GRO J655-40 -
черной дыры внутри Млечного Пути, которая поглощает вещество соседней звезды. Модель предска-
зывала "магнитный ветер" - поток частиц, удаляющихся от горизонта событий и уносящий угловой
момент. "Ветру" должны были соответствовать особые пики в рентгеновском спектре ( отличные от
тех, которые оставляет падающее вещество) - и на снимках, сделанных орбитальным телескопом, та-
кие пики удалось найти.
Структура спектра черной дыры GRO J655-40 подтверждает наличие "магнитного ветра"
Миллер и его сотрудники уверены в том, что новые результаты могут иметь большое значение как
для дальнейшего развития теорий поглощения материи черными дырами, роста ЧД и их влияния на
окружающую среду, так и при рассмотрении роли магнитных полей при аккреции на другие компакт-
ные объекты - вроде нейтронных звезд или белых карликов.
ссылки:
grani.ru/Society/Science/m.107876.html
lenta.ru/news/2006/06/22/blackhole
chandra.harvard.edu/photo/2006/j1655/062106.html
newscientistspace.com/article/mg19025574.600-magnetic-fields-snare-black-holes-food.html
physorg.com/news70125823.html
Будущие трансплутоны у звезды Эпсилон Эридана
|
Вид с ледяного спутника предполагаемой планеты-гиганта у Эпсилон Эридана.
На заднем плане виден зодиакалный свет и часть пылевого диска вокруг звезды.
Согласно самым авторитетным современным теориям, звезды и планеты формируются из газопыле-
вых облаков, которые фрагментируются и сжимаются под воздействием собственной гравитации. При
"падении к центру" частиц материи их случайные движения постепенно приводят к некой самооргани-
зации, и в конце концов все облако начинает вращаться, принимая характерную сглаженную форму,
подобную вращающейся пицце...
Центр такого протопланетного диска в конечном счете обретает массу, достаточную для того, чтобы
там могла зажечься юная звезда, ну а в окружающем ее более разреженном диске частицы пыли груп-
пируются, слипаются, формируя все более крупные объекты (планетезимали) - камешки, астероиды и,
наконец, планеты. Тем временем свежезажженная звезда, разгораясь, порождает мощные звездные ве-
тры из заряженных частиц, которые выметают лишнюю пыль из системы и обнажают свежеобразо-
вавшиеся небесные тела - новую планетную систему. Весь этот процесс, по современным понятиям,
от начала до конца занимает от 10 до 100 миллионов лет.
Однако все это пока только теория, уже подкрепленная, конечно, наблюдениями формирующихся
протопланетных дисков и юных звезд. И чем больше будет таких наблюдений, тем крепче будет осно-
вание под такой теорией. И вот теперь в статье "Обнаружение вращения осколочного диска Эпсилон
Эридана" ( Detecting a rotation in the epsilon Eridani debris disc), опубликованной на сайте arXiv.org, астро-
номы из шотландского Университета Сент-Эндрюса (St. Andrews University) пишут о том, что им уда-
лось отследить вращение протопланетного диска у звезды Эпсилон Эридана.
Наблюдения были проведены с помощью камеры SCUBA ( Submillimetre Common User Bolometer Array
- Субмиллиметровый болометрический массив общего назначения). Этот прибор был в 1996 году ус-
тановлен на 15-метровом радиотелескопе имени Джеймса Клерка Максвелла ( James Clerk Maxwell
Telescope - JCMT) на Гавайях ( на вершине потухшего вулкана Мауна-Кеа ), который является ныне
крупнейшим в мире инструментом, способным работать в субмиллиметровом диапазоне. SCUBA сос-
тоит из двух массивов детекторов, охлажденных до 0,1 градуса Кельвина, один из которых предназна-
чен для работы на волне 850 микрон (он в данном случае и был реально задействован), а другой - 450
микрон. Диск у Эпсилон Эридана был изучен сначала в 1997-1998 гг., а затем повторно - в 2000-2002
годах. За истекший период скопления материи вокруг звезды, судя по всему, сдвинулись ( по оценкам
шотландских астрономов, скорость их вращения составила 2,75 градуса в год, то есть на завершение
одного оборота им потребуется около 130 лет).
Движение этих скоплений соответствует теоретическим предсказаниям, и поэтому можно предполо-
жить, что кольцо вокруг Эпсилон Эридана фактически является протопланетным диском, ну а сами
зарегистрированные скопления материи в нем можно считать зародышами будущих планет, собираю-
щими газ и пыль из диска. Если бы они располагались в нашей Солнечной системе, то отстояли бы
от Солнца гораздо дальше, чем Плутон ( и в 65 раз дальше, чем Земля от Солнца ).
Впрочем, пока что все эти наблюдения проводились на грани чувствительности SCUBA. Астрономы
надеются, что будущие наблюдения с комплексом SCUBA-2 ( его развертывание запланировано на
2007 год) не только подтвердят полученные ныне данные, но и позволят реально разглядеть новообра-
зующиеся планеты...
Сама Эпсилон Эридана расположена от нас на расстоянии в 10,7 светового года и несколько уступает
по массе нашему светилу (85% Ms), при этом звезда содержит почти вдвое меньше тяжелых элемен-
тов. Возраст Эпсилон Эридана (оранжевый карлик типа K2V) оценивают в 0,5-1 миллиард лет, а от-
слеживая небольшие колебания данной звезды под воздействием гравитации ее спутников, удалось
доказать наличие уже сформировавшихся ( невидимых ) экзопланет.
На иллюстрации:
Наблюдения Эпсилон Эридана с помощью SCUBA на JCMT. Данные 1997-1998 гг. - это свыше
22 изображений. В 2000-2002 гг. были получены свыше 34 изображений с теми же самыми па-
раметрами. Фото из статьи с сайта arXiv.org
ссылки:
grani.ru/Society/Science/m.107952.html
universetoday.com/2006/06/26/rotating-disk-could-contain-newly-forming-planets
ru.arxiv.org/abs/astro-ph/0606588
solstation.com/stars/eps-erid.htm
