Gantz0

Наконец-то мы это видим: черная дыра во плоти. Сегодня астрономы показали изображение гигантской черной дыры в сердце соседней галактики Мессье 87 (M87). Результат - огненное кольцо, окружающее самую черную из теней, - является мощным подтверждением теории гравитации Альберта Эйнштейна или общей теории относительности, которая использовалась для предсказания черных дыр 80 лет назад. Это также подвиг для команды из более чем 200 ученых, которые годами трудились над созданием изображения, комбинируя сигналы восьми отдельных радиообсерваторий со всего земного шара.

«Такое ощущение, что смотришь на врата ада», - говорит Хейно Фальке из Университета Радбауд в Неймегене, Нидерланды, один из лидеров коллаборации Event Horizon Telescope (EHT), которая объявила о результатах на глобальных скоординированных пресс-конференциях. . «Это конец пространства и времени». Фальке говорит, что двухлетний процесс обработки данных и создания изображений «был самым эмоционально сложным периодом в моей жизни».

Хотя мало кто сомневался в существовании черных дыр, увидеть их - или, по крайней мере, их тень - было огромной проблемой. Черные дыры имеют настолько сильные гравитационные поля, что даже свет не может уйти, поэтому они определяются оболочкой черной безликой сферы, называемой горизонтом событий. Но дыры все же видно. Поскольку они поглощают материю, которая подбирается слишком близко, они сжимают ее в перегретый диск светящегося газа.

На снимках, сделанных командой, нижняя часть кольца кажется яркой, потому что газы там подвергаются доплеровскому ускорению и направляются к Земле. Черная дыра изгибает свет вокруг себя, создавая круглую тень. Общая теория относительности предсказывает, что тень должна быть круглой с точностью до 10%, говорит Эйвери Бродерик, член EHT и астрофизик из Университета Ватерлоо в Канаде, тогда как альтернативные теории гравитации предсказывают искаженные некруглые формы. По словам Бродерика, наблюдаемая тень по существу круглая.

Команда EHT из 13 организаций по всему миру провела наблюдения M87 * и черной дыры в центре нашего Млечного Пути, известной как Стрелец A * (Sgr A *), в течение 5 ночей в апреле 2017 года с использованием восьми радиотелескопов. которые чувствительны к длинам волн около миллиметра. На этой конкретной радиочастоте излучение может проникать сквозь дымку из пыли и газа, которая окружает центры галактик.

Но увеличение черных дыр все еще было проблемой. Черные дыры упаковывают огромное количество массы в удивительно маленькое пространство. Черная дыра в центре M87, на расстоянии 55 миллионов световых лет от нас, поглотила массу 6,5 миллиардов солнц. Однако его горизонт событий составляет всего 40 миллиардов километров в поперечнике, что примерно в четыре раза больше диаметра орбиты Нептуна.

Ни один из существующих телескопов не имеет разрешения, чтобы увидеть такой далекий крошечный объект. Итак, команда EHT объединила большинство телескопов миллиметрового диапазона по всему миру и объединила их данные для создания виртуального телескопа размером с Землю с помощью процесса, называемого интерферометрией с очень длинной базой. Телескопы, которые они использовали, простирались от Гавайев до Аризоны, от Мексики до Испании и Чили до Южного полюса. «Вы можете думать о них как о посеребренных пятнах на глобальном зеркале», - говорит Шеп Доулман, руководитель проекта EHT в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики в Кембридже, штат Массачусетс. «Затем Земля поворачивается, и мы можем заполнить изображение».

Сотрудничество ранее проводило наблюдения с меньшим количеством телескопов, но в 2017 году у них впервые появилась система, охватывающая весь земной шар, которая включала мощность Большой миллиметровой / субмиллиметровой антенной решетки Атакамы в Чили с ее 64 антеннами. Миллиметровые волны подвержены влиянию облаков, поэтому была важна хорошая погода. В апреле 2017 года боги погоды улыбнулись. «Это была одна из самых гладких частей проекта», - говорит член команды Фериал Озель из Университета Аризоны в Тусоне. «Некоторые бригады работали в смену по 16 или 18 часов, но всем им повезло», - говорит она, добавляя: «Анализировать данные было намного сложнее».

С тех пор этот процесс занял все время. Объем данных был настолько велик, что их нельзя было передать на большие компьютеры в обсерватории Haystack Массачусетского технологического института в Вестфорде и в Радиоастрономическом институте Макса Планка в Бонне, Германия. Вместо этого его нужно было записать на диск и отправить, что стало проблемой для телескопа Южного полюса. Он был заблокирован на зиму в Австралии, поэтому исследователи не смогли получить его данные почти до конца 2017 года. Всего было записано 4 петабайта, каждое из которых было отмечено с помощью атомных часов. Если бы эти данные были музыкой, записанной в формате MP3, на их воспроизведение ушло бы 8000 лет.

«Это был довольно ужасный процесс - обработать все данные», - говорит Фальке. Мощные процессоры, называемые корреляторами, сравнивают показания пар телескопов на разных расстояниях и ориентации с черными дырами. Озель сравнивает это с построением трехмерного изображения тела с компьютерной томографией, но в этом случае у них нет всех необходимых ориентаций. «Мы должны были убедиться, что мы не заполняем данные таким образом, чтобы это могло повлиять на интерпретацию», - говорит она. Моника Мосцибродзка, координатор рабочей группы EHT в Университете Радбауд, говорит, что четыре независимые группы продублировали обработку данных, чтобы устранить предвзятость. Она говорит, что результат был убедительным, потому что в течение 4 дней наблюдений за M87 * форма и размер тени были неизменными.

Команда не сообщила результатов для гиганта нашей галактики, Sgr A *. Хотя он намного ближе, чем M87 *, он примерно в 1000 раз менее массивен и с меньшим горизонтом событий. Более того, он быстрее движется по небу, что усложняет наблюдения. Доулман говорит, что в следующий раз команда обратится к сержанту А *. «Мы ничего не обещаем», - говорит он. «Но мы надеемся, что скоро доберемся до этого».

Эйнштейну не нравилась идея черных дыр. Через несколько месяцев после того, как в 1915 году он опубликовал свою общую теорию относительности, немецкий физик Карл Шварцшильд предложил решение уравнений Эйнштейна, согласно которому на определенном расстоянии от бесконечно малой точки массы гравитация должна быть настолько сильной, что ничто не остановит от побега. даже свет.

Однако на протяжении десятилетий большинство физиков и астрономов считали такую идею просто математическим любопытством. Только в 1939 году американский физик Роберт Оппенгеймер и его коллеги предсказали, что массивная звезда действительно может схлопнуться в точку.

Эта идея получила поддержку после открытия Джоселин Белл Бернелл в 1967 году пульсаров - плотных вращающихся нейтронных звезд, - которое доказало существование чрезвычайно плотных и компактных объектов. С тех пор астрономы накопили множество косвенных доказательств существования черных дыр, основанных на их гравитации. Астрономы обнаружили двойные системы, такие как Cygnus X-1, где звезда вращается вокруг невидимого, более плотного объекта, который, кажется, поглощает материал от своего звездного партнера.

Больше доказательств было получено в результате исследований Sgr A *. За последние пару десятилетий наблюдения за горсткой звезд на узких и быстрых орбитах не оставляют места для чего-либо, кроме сверхмассивной черной дыры в центре Галактики, масса которой примерно в 4 миллиона раз больше массы нашего Солнца.

Наиболее убедительные доказательства были получены в 2015 году, когда Гравитационно-волновая обсерватория с лазерным интерферометром обнаружила рябь в пространстве-времени, возникшую в результате катастрофического слияния двух черных дыр. Однако с сегодняшним объявлением астрономы наконец получили визуальные доказательства. «Я всегда хотел увидеть эту чертову штуку», - говорит Фальке.

Будущие наблюдения EHT могут пролить дополнительный свет на природу черных дыр. Команда надеется измерить спин и магнитную поляризацию черных дыр. В M87 *, более прожорливой и активной черной дыре, чем Sgr A *, команда смогла узнать о механизме, который ускоряет струи материала из полюсов черной дыры, как лучи из маяка. Сера Маркофф, член команды EHT и астрофизик-теоретик из Амстердамского университета, отмечает, что M87 * также является «активным галактическим ядром», светимость которого увеличивается и уменьшается по мере того, как оно поглощает материю. «Нам просто повезло, - говорит она. «Если бы он вспыхивал, мы могли бы увидеть что-то совсем другое, и это могло бы заблокировать тень».

Кампания команды в 2018 году в основном провалилась из-за плохой погоды. В этом году наблюдения были прекращены из-за того, что несколько телескопов не работали. Но в следующем году наблюдения должны включать новые телескопы, и они также начнут вести наблюдения на более коротких волнах, что должно давать более четкие изображения, говорит Доулман. «Мы сможем расширить это изображение этой тени до места, где она соединяется с этим самолетом».

Астрономы, не входящие в группу EHT, будут стремиться к неожиданным открытиям, которые могут указывать на теоретический прорыв. Когда его спросили о результатах команды, Ави Лоеб, директор организации Black Hole Initiative в Гарвардском университете, сказал, что больше всего удивлен отсутствием сюрпризов. Десять лет назад он помог смоделировать M87 *, и, по его словам, его изображения были очень похожи на сегодняшние EHT. Даже в этом случае, по его словам, результат команды является важной вехой. «Изображение стоит тысячи слов, а увидеть - значит поверить», - говорит он. «Итак, мы прибили карту черной дыры».

Ссылка на Оригинальную статью в журнале "Sciencе" От 10 апреля 2019 г.

https://www.sciencemag.org/news/2019/04/black-hole

Ученые давно согласились с тем, что Луна образовалась, когда протопланета под названием Тейя столкнулась с Землей в младенчестве около 4,5 миллиардов лет назад. Теперь у группы ученых есть провокационное новое предложение: останки Тейи можно найти в двух слоях породы размером с континент, погребенных глубоко в мантии Земли.

На протяжении десятилетий сейсмологи ломали голову над этими двумя каплями, которые находятся ниже Западной Африки и Тихого океана и охватывают ядро, как пара наушников. До 1000 километров в высоту и в несколько раз больше в ширину, «они являются самым большим объектом в мантии Земли», - говорит Цянь Юань, доктор философии. студент геодинамики в Государственном университете Аризоны (ASU), Темпе. Сейсмические волны от землетрясений резко замедляются, когда они проходят через слои, что говорит о том, что они более плотные и химически отличаются от окружающей породы мантии.

Большие провинции с низкой скоростью сдвига (LLSVP), как их называют сейсмологи, могли просто кристаллизоваться из глубин первичного магматического океана Земли. Или это могут быть плотные лужи примитивной мантийной породы, пережившей травму от удара, образовавшего Луну. Но, основываясь на новых изотопных данных и моделировании, Юань считает, что LLSVP - это внутренности самого инопланетного ударника. «Эта безумная идея, по крайней мере, возможна», - говорит Юань, который представил гипотезу на прошлой неделе на конференции по лунным и планетарным наукам.

Эта идея годами гремела в коридорах лабораторий и конференц-залах. Но Эдвард Гарнеро, сейсмолог из ASU Tempe, который не участвовал в работе, говорит, что это первый случай, когда кто-то собрал несколько линий доказательств и создал серьезное дело. «Я думаю, что это вполне жизнеспособно, пока кто-нибудь не скажет мне, что это не так».

Свидетельства из Исландии и Самоа предполагают, что LLSVP существовали со времен лунного удара , говорит Суджой Мукхопадхьяй, геохимик из Калифорнийского университета (Калифорнийский университет) в Дэвисе, который считает идею Юаня правдоподобной, но допускает другие объяснения. Сейсмические изображения проследили шлейфы магмы, питающие вулканы на обоих островах, вплоть до LLSVP. За последнее десятилетие Мухопадхьяй и другие обнаружили, что лавы на островах содержат изотопные записи радиоактивных элементов, которые образовались только в течение первых 100 миллионов лет

истории Земли.

Более того, новая фотография лунного ударного элемента предполагает, что он мог доставить груз плотной породы глубоко внутрь Земли. Теория столкновения была разработана в 1970-х годах, чтобы объяснить, почему Луна сухая и не имеет большого количества железного ядра: при катаклизме летучие вещества, такие как вода, испарились бы и улетели, в то время как кольцо менее плотных пород выбрасывалось в воздух. столкновение в конечном итоге привело бы к Луне. Теория предполагала наличие ударного элемента размером с Марс или - в недавних вариантах - гораздо меньшего размера. Но недавняя работа соавтора Юаня, астрофизика из ASU Tempe Стивена Деша, предполагает, что Тейя была почти такой же большой, как Земля.

При исследовании горных пород Аполлона и Луны Деш и его коллеги измерили отношение водорода к дейтерию, более тяжелому изотопу водорода. Они обнаружили, что легкого водорода в некоторых образцах Луны было гораздо больше, чем в земных породах. В исследовании Geochemistry, проведенном в 2019 году , они предложили, чтобы захватить и удержать такое количество легкого водорода, Тейя должна была быть массивной . Он также должен был быть довольно сухим, поскольку любая вода, которая естественно обогащена тяжелым водородом во время ее образования в межзвездном пространстве, подняла бы общий уровень дейтерия. Такая сухая большая протопланета могла бы разделиться на слои с обедненным железом ядром и богатой железом мантией, говорит Деш, примерно на 2–3,5% плотнее, чем современная Земля.

Еще до того, как Юань узнал об оценках плотности Деша, он моделировал судьбу Тейи. Его модель предполагает, что после столкновения ядро Тейи быстро слилось бы с ядром Земли. Он также исследовал судьбу мантии Тейи, варьируя размер и плотность Тейи, чтобы увидеть, какие условия позволили бы материалу сохраниться, а не смешаться, и опуститься к основанию мантии. Моделирование неизменно показало, что мантийные породы на 1,5–3,5% плотнее земных, выживут и превратятся в груды около ядра. Результат полностью совпал с данными Деша по содержанию дейтерия. «Это золотая середина для плотности», - говорит Деш.

Массивная Тейя также объяснила бы масштаб LLSVP, которые вместе содержат в шесть раз больше массы, чем Луна. Юань говорит, что если они инопланетяне, их мог бы доставить только такой большой ударник, как Тейя.

Однако есть много предостережений, включая нечеткие доказательства самих LLSVP. Их свайная структура может быть просто иллюзией, созданной моделями внутренней части, основанными на низкочастотных сейсмических волнах, которые стирают небольшие различия, - предположили Барбара Романович, сейсмолог из Калифорнийского университета в Беркли, и Энн Давай, геофизик из Университета Париж-Сакле. исследование в тектоники в прошлом году . Вместо того, чтобы достигать высоты 1000 километров, сваи могут подняться всего на несколько сотен километров, прежде чем превратиться в разветвленные шлейфы. «В них могут быть дыры», - говорит Романович. «Это может быть пучок трубок».

По словам Харриет Лау, геофизика из Калифорнийского университета в Беркли, более мелкие или менее монолитные LLSVP также будут соответствовать предстоящему анализу, который обнаружит, что LLSVP являются самыми плотными на дне. Анализ основан на двух способах построения изображений глубин Земли: с использованием станций GPS для измерения того, как приливное притяжение Луны растягивает Землю , и сейсмометров для определения того, как естественные колебания Земли проходят через глубокую мантию. «Возможно, настоящая история плотности - это глубина распределения», - говорит она.

По словам Дженнифер Дженкинс, сейсмолога из Даремского университета, менее массивные LLSVP могут усложнить идею о том, что Тейя была размером почти с прото-Землю. Изображение Юаня, добавляет она, «не противоречит тому, что мы знаем, но я не совсем уверен».

Деш говорит, что команда могла бы проверить свою идею, посмотрев на геохимические сходства между островными лавами и породами мантии Луны. Ни один из образцов Аполлона не фиксирует неизмененную мантию, что является одной из причин, по которой ученым нужны образцы из самого большого ударного кратера Луны на ее южном полюсе, где такие породы могут быть эксгумированы. НАСА и Китай планируют в этом десятилетии полеты роботов к Южному полюсу, и это главный кандидат на возвращение астронавтов НАСА на Луну.

Если остатки Тейи действительно лежат глубоко в мантии Земли, возможно, они не одни. Сейсмологи все чаще видят небольшие сверхплотные карманы материала в глубокой мантии, всего несколько сотен километров в поперечнике, часто вблизи краев LLSVP. Возможно, это затонувшие остатки богатых железом ядер с других миниатюрных планет, поразивших раннюю Землю, говорит Дженкинс. На самом деле Тейя могла быть просто могилой на планетарном кладбище.

Ссылка на Оригинальную статью в журнале "Sciencе"

https://www.sciencemag.org/news/2021/03/remains-impact-creat...

Пара физиков предсказывает, что темная материя может повышать температуру планет за пределами нашей Солнечной системы. По их словам, космические телескопы, которые уже находятся в разработке, должны быть в состоянии обнаружить эффект, что потенциально позволит ученым проследить, как таинственный материал распространяется в нашей Галактике Млечный Путь.

«В науке мы редко получаем совершенно новую идею», - говорит Сара Сигер, планетолог из Массачусетского технологического института (MIT), которая не принимала участия в работе. «Так что, я думаю, здорово видеть это пересечение темной материи и экзопланет».

На протяжении десятилетий астрофизики думали, что невидимая темная материя должна окружать каждую галактику , так же как стекло окружает цветовой водоворот в центре мрамора. Гравитация темной материи необходима для объяснения того, почему звезды в быстро вращающихся галактиках не летают в космос.

Физики предполагают, что это вещество состоит из некой элементарной частицы, оставшейся после Большого взрыва. Но до сих пор все доказательства существования темной материи исходят из ее гравитационных эффектов, поскольку поиски частиц темной материи, плавающих и взаимодействующих с обычной материей другими способами, оказались безрезультатными .

Некоторые астрофизики вместо этого искали в небе косвенные признаки частиц темной материи. Многие теории утверждают, что когда пара частиц сталкивается, они должны аннигилировать друг друга, чтобы произвести наблюдаемые обычные частицы. Например, исследователи видели признаки загадочного свечения в центре нашей галактики, где темная материя должна быть наиболее плотной. Но они спорят , происходит ли это от темной материи или более прозаических источников, таких как нейтронные звезды.

Теперь Ребекка Лин, физик-теоретик из Массачусетского технологического института, и Юрий Смирнов, физик-астроном из Университета штата Огайо (OSU), предлагают использовать экзопланеты в качестве детекторов темной материи. Под действием силы тяжести частицы темной материи могут оседать в ядрах планет. Там они могут уничтожить друг друга, чтобы произвести достаточно тепла для повышения температуры планет , подсчитала команда в статье, опубликованной в Physical Review Letters .

Другие предположили, что темная материя может собираться и нагревать массивные тела, такие как нейтронные звезды. Фактически, в исследовании 2007 года использовались данные с Земли, чтобы исключить частицы темной материи с массой выше определенной. Но экзопланеты должны стать отличными целями для таких поисков по нескольким причинам, объясняет Лин, ныне работающий в Национальной ускорительной лаборатории SLAC. Во-первых, они могут быть намного массивнее, чем планеты в нашей Солнечной системе, поэтому они должны собирать больше темной материи и улавливать более легкие частицы темной материи. Во-вторых, их гораздо больше, и их легче обнаружить, чем нейтронные звезды. По оценкам исследователей, наша Галактика Млечный Путь изобилует 300 миллиардами экзопланет.

Однако подойдет не любая экзопланета. Чтобы выявить относительно небольшое потепление от темной материи, планета должна была остыть после своего огненного рождения. Значит, ему должно быть несколько миллиардов лет. И он должен вращаться вдали от тепла собственной звезды. «Не стоит искать свечу в лесном пожаре», - говорит Смирнов. Идеальной целью были бы планеты-изгои, ускользнувшие от своих звезд, или несостоявшиеся звезды, известные как коричневые карлики, которые можно обнаружить по тому, как их гравитация искажает изображения более далеких звезд.

По оценкам исследователей, аннигиляция темной материи может поднять температуру планеты в 14 раз массивнее Юпитера с 250 К до 500 К и более. Больше темной материи должно собираться на планетах ближе к центру галактики, где плотность темной материи самая высокая. Итак, говорит Лин, астрономы могут искать, чтобы температура самых холодных планет повышалась по мере приближения к центру. «Если мы увидим эту подпись, это будет дымящийся пистолет для темной материи».

Есть некоторые предостережения. Даже если ученые заметят потепление, сигнал не будет обеспечивать измерения массы и других свойств частиц темной материи. Схема также предполагает, что частицам темной материи не требуется много миллиардов лет, чтобы осесть на планеты, отмечает Крис Куварис, физик-астроном из Афинского национального технического университета, который проанализировал накопление темной материи в гораздо более массивных нейтронах. звезды. По его словам, это предположение необходимо проверить.

Тем не менее, по словам Лин и Смирнов, данные для такого исследования, скорее всего, будут собирать космические телескопы, которые уже разрабатываются. В частности, космический телескоп НАСА Нэнси Грейс Римский (ранее известный как WFIRST), запуск которого запланирован на 2025 год, и космический телескоп Джеймса Уэбба, запуск которого запланирован на конец этого года, будут искать такие планеты. «Мы определенно будем охотиться за планетами-изгоями с WFIRST», - говорит Сигер.

По словам Джона Бикома, астрофизика-теоретика из ОГУ, исследование экзопланет дополнит земные поиски частиц темной материи. По его словам, подземные детекторы могут обнаруживать частицы темной материи только с массой больше массы протона, но поиск экзопланет будет чувствителен к частицам с массой всего 1/1000 от этой массы. «Это позволяет нам исследовать свойства темной материи так, как мы не можем исследовать их на Земле».

Ссылка на Оригинальную статью в журнале "Sciencе"