Принцип работы детектора гравитационных волн LIGO
LIGO - обсерватория, позволяющая нам обнаруживать гравитационные волны, которые излучают такие события, как слияние черных дыр в миллиардах световых лет от Земли. Она работает так:
1. Лазер выпускает луч в полупрозрачное зеркало, которое пропускает половину луча и отражает вторую половину под прямым углом.
2. Каждый из лучей отражается от дальнейших зеркал, и они возвращаются обратно ровно в анти-фазе по отношению друг к другу, тем самым полностью исключая друг друга.
3. Когда через лазерные лучи проходит гравитационная волна, она искажает пространство, тем самым чуть-чуть удлиняя или укорачивая длину волны каждого из лазеров.
4. Поскольку лазеры в этот момент имеют разную частоту, они не находятся в полной анти-фазе, и друг друга полностью не исключают.
5. Таким образом, в момент прохождения гравитационной волны, после слияния лазеров обратно в призме остается сигнал который засекается детектором. По частоте, силе, и времени этого сигнала можно определить характеристики гравитационных волн, а тем самым и характеристики событий, их излучивших.
Телескоп "Чандра" наблюдает необычное поведение струи материи
Астрономы обнаружили в струе гигантской черной дыры модель поведения, которая никогда ранее не наблюдалась. С помощью космического телескопа NASA «Чандра» они наблюдали за струей, которая сначала отскакивает от газовой стенки, а затем разрывает дыру в облаке из высокоэнергетических частиц. Такое поведение предоставляет ученым уникальную возможность больше узнать о том, как струи черных дыр взаимодействуют со своим окружением.
Композитное изображение Лебедя А. Рентгеновские данные от «Чандры» (красным, зеленым, синим) были объединены с оптическими данными от телескопа «Хаббл». © X-ray: NASA / CXC / Columbia Univ. / A. Johnson et al.; Optical: NASA / STScI)
Открытие было сделано в Лебеде А, большой галактике (радиогалактике) в центре галактического скопления, расположенного примерно в 760 миллионах световых лет от Земли. Данные телескопа «Чандра» показали мощные струи частиц и электромагнитной энергии, происходящие из быстро растущей черной дыры в центре Лебедя А. После того, как струи с каждой стороны черной дыры преодолевают более 200 тысяч световых лет, они замедляются вследствие взаимодействия с межгалактическим газом, нагретым до температуры в несколько миллионов градусов, который окружает Лебедя А. Такое взаимодействие стало причиной образования огромных облаков из высокоэнергетических частиц, испускающих рентгеновское излучение и радиоволны.
В рамках продолжавшегося 23 дня глубокого наблюдения исследователи использовали телескоп «Чандра», чтобы составить подробнейшую карту струй и межгалактического газа. Составленная карта была использована для того, чтобы проследить траектории струй, начиная с их исхода из черной дыры. И выяснилось, что левая струя после отскока расширяется, создавая дыру в окружающем облаке частиц глубиной от 50 тысяч до 100 тысяч световых лет и шириной всего 26 тысяч световых лет.
«Мы не только увидели, как эта струя отскакивает от межгалактического газа, подобно тому, как камешек отскакивает от поверхности пруда, но и разрывают дыру в облаке высокоэнергетических частиц», - говорит Амалия Джонсон из Колумбийского университета в Нью-Йорке. руководитель нового исследования. - «И это вообще первый раз, когда нам удалось увидеть такой космический `дырокол`».
Высокая четкость передачи изображения телескопом «Чандра» имела решающее значение для этого открытия. «Примечательно, что рентгеновское изображение «Чандры» может улавливать мелкие детали того, что делает эта черная дыра на расстоянии более миллиарда триллионов миль от Земли», - говорит соавтор Пол Нульсен из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (CfA) в Кембридже, штат Массачусетс. - «Благодаря данным «Чандры», мы можем увидеть, куда струя отскочила, и отследить ее орбиту, прежде чем она снова попадет в газ».
Хотя черные дыры широко известны тем, что они притягивают к себе все, что приближается к ним, они также могут очень хорошо катапультировать материю. Когда черная дыра вращается, она может создать вращающуюся, плотно намотанную вертикальную «башню» из сильных магнитных полей. Это позволяет черной дыре перенаправлять часть поступающего в нее газа и создавать энергетическую струю, которая удаляется от черной дыры на очень высоких скоростях. И струя Лебедя А является одной из наибольших и мощных струй, которые когда-либо наблюдались учеными.
Теперь же астрофизики работают над тем, чтобы определить, какие виды энергии (кинетическая энергия, тепло или излучение) несет в себе эта струя. Состав струи и виды энергии определяют ее поведение во время отскока, а также влияют на размер создаваемой ею дыры. При этом для того, чтобы сделать выводы о свойствах струи, необходимы теоретические модели струи и ее взаимодействия с окружающим газом.
Энергия струй из черных дыр может нагревать межгалактический газ в скоплениях галактик и препятствовать его охлаждению и созданию большого количества звезд в галактиках, подобных Лебедю А. «Мы знаем, что быстрорастущие черные дыры оказывают большое влияние на окружающую среду», - рассказал еще один соавтор исследования Брэдфорд Сниос из CfA. - «Изучая Лебедя А, мы надеемся узнать больше о том, как с течением времени гигантские черные дыры влияют на свои домашние галактики».
Результаты этого исследования были представлены на 233 встрече Американского астрономического общества в Сиэтле.
Астрономам удалось заглянуть в корону черной дыры
Исследователи NASA описали события, происходящие всего в сотне километров от горизонта событий черной дыры. По астрономическим масштабам это практически вплотную к горизонту событий — той сфере, из-под которой не вырывается даже свет.
Получить подробную информацию о происходящем около горизонта событий позволило рентгеновское излучение. Черная дыра MAXI J1820+070 (или просто J1820) окружена диском из вращающегося и сжимающегося раскаленного вещества и короной — облаком частиц с очень высокой, порядка миллиарда градусов, температурой. При столь сильном нагреве вещество светится уже не видимым светом, а рентгеновским излучением, и это излучение можно обнаружить специальными космическими телескопами.
Используя установленный на борту МКС детектор NICER (Neutron star Interior Composition Explorer), астрономы не только поймали рентгеновские лучи от J1820, но и смогли определить и проанализировать их компоненты. Испускаемое окрестностями черной дыры излучение состояло из свечения короны самого по себе, свечения короны, отраженного аккреционным диском, и квантов, которые сначала поглотились плазмой в диске, а потом были испущены снова с небольшой потерей энергии.
NICER на борту МКС
Наблюдения велись несколько недель подряд после вспышки, случившейся, как считают ученые, из-за нестабильности аккреционного диска. За это время спектр излучения заметно изменился, указав на сжатие короны черной дыры. Она, по оценкам астрофизиков, стала в десять раз меньше — около 16 километров против изначальных 160.
Для астрономии это очень малое расстояние. В сообщении NASA приводится такая аналогия: изучать что-либо размером 160 километров на том расстоянии, которое отделяет нас от объекта MAXI J1820+070, это все равно что рассматривать с Земли ягоду, расположенную на орбите Плутона.
Ни один из существующих и даже проектируемых инструментов не в состоянии добиться столь высокого углового разрешения, однако в данном случае астрономы не получали детальных снимков, а работали с данными наблюдений в рентгеновском спектре. Ключевую роль играла точность выделения излучения с той или иной длиной волны, а требования к разрешению картинки были невысоки — достаточно было лишь не путать J1820 с иными источниками.
Эрин Кара, представившая результаты исследования черной дыры на 23-й встрече Американского астрономического общества и вместе с коллегами опубликовавшая статью в журнале Nature, указывает, что J1820 имеет массу около десяти масс Солнца, но новые наблюдения показали сходство ее аккреционного диска с таковым у сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. «Корона черной дыры — это все еще довольно загадочный объект, и мы плохо понимаем, что она собой представляет, — добавляет другой автор исследования, Джек Стейнер. — Но сейчас мы получили доказательства того, что эволюция всей системы черной дыры связана с эволюцией именно короны».
Читайте также:
Радиоджеты сверхмассивной черной дыры оказались направлены на Землю
Астрономы рассмотрели джеты сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути и обнаружили, что узкий луч излучения от них направлен прямо к нам.
Считается, что в центрах крупных галактик расположены черные дыры, масса которых достигает миллионов и миллиардов масс Солнца. Ближайшая к нам сверхмассивная черная дыра — объект Стрелец A* — находится в центре нашей Галактики и, по существующим оценкам, весит как около 4,3 миллиона солнц. Она окружена плотным облаком притянутой материи, разогнанной и раскаленной в гравитационном поле дыры. Небольшая доля этого вещества закручивается и на скоростях, сравнимых со скоростью света, выбрасывается парой симметричных узких потоков — джетов. Джеты активно излучают — недаром Стрелец A* был замечен прежде всего как компактный радиоисточник.
Однако рассмотреть эти внутренние детали напрямую задача крайне сложная. Источник совсем невелик, а его излучение рассеивается пылью, лежащей на всем разделяющем нас пространстве в 26 тысячах световых лет. Поэтому большая международная группа исследователей провела наблюдения за Стрельцом A* с помощью радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами — метода, использующего большие массивы антенн, разнесенных на значительное расстояние, но работающих синхронизированно и позволяющих добиться огромного разрешения. Результаты этих наблюдений представлены в статье, опубликованной в The Astrophysical Journal.
Стрелец A*: вверху — результаты симуляции объекта и рассеянного излучения от него; внизу — данные наблюдений рассеянного и «отфильтрованного» излучения / ©Issaoun, Mościbrodzka, Johnson, Radboud University, Cf
Авторам удалось «отфильтровать» шум рассеянного излучения, и в результате они увидели внутреннюю структуру радиоисточника диаметром лишь около 120 угловых микросекунд — симметричную, в полном соответствии с представлениями о существовании в ней пары скоростных джетов. Более того, как оказалось, излучение из него исходит чрезвычайно узким потоком. Приходя к нам, он имеет в поперечнике лишь порядка стомиллионной доли градуса; фактически луч направлен прямо на нас. Это большая удача, которая позволит лучше понять устройство и Стрельца A*, и сверхмассивных черных дыр вообще. Само же излучение, насколько известно, полностью безопасно.
Черные дыры
Черные дыры довольно сложно обнаружить, если они не заняты активным поглощением вещества, поскольку такие объект не излучают ЭМ-излучение. Все потому, что электромагнитное излучение просто не может достичь скорости, достаточной для преодоления горизонта событий, так что черные дыры очень долго могут оставаться невидимыми для земной техники. Возможным исключением может быть так называемое «излучение Хокинга», но даже если оно и есть — современные приборы пока не могут его обнаружить.
Тем не менее, астрономам известно, что существуют черные дыры, образовавшиеся в результате коллапса массивной звезды (примерно в 100 раз превышающей Солнце по массе). Такие дыры называют «массивными», а «сверхмассивные» начинаются примерно с 100 000-кратного превосходства по массе. Это две огромные крайности, между которыми стоит не менее гигантский вопросительный знак. Сам по себе такой разброс косвенно указывает на то, что есть «средние» по массе черные дыры, однако их существование до сих пор не было подтверждено.
В новой статье, опубликованной на портале arXiv, астрономы из Национальной астрономической обсерватории Японии (NAOJ) описали доказательства, указывающие на то, что одна такая «мистическая» черная дыра находится на расстоянии около 20 световых лет от центра нашей галактики Млечного пути. Однако она не покоится на одном месте, а… дрейфует в космосе. Засечь ее удалось по косвенным признакам: с помощью радиотелескопа ALMA ученые обнаружили потоки молекулярного газа, вращающегося вокруг некого невидимого массивного объекта.
Подобные высокоскоростные компактные облака наблюдались в результате столкновений между газопылевыми ореолами сверхновых, однако объект HCN-0,009−0,044 не показывает ни форму, ни схему расширения, характерную для этого типа звезд. Более того, предыдущие исследования уже определили HCN-0,009−0,044 в качестве возможной черной дыры. Теперь они получили новые данные — масса объекта сопоставима примерно с 32 000 масс Солнца. Это как раз та самая «средняя» по массе черная дыра, которую так давно не удавалось отыскать!
В дополнение к этому астрономы, похоже, нашли новый способ обнаружения черных дыр сч помощью следов ионизации газа. Если их методика верна и это не совпадение, то в подобных газопылевых облаках могут скрываться и другие похожие дыры, которые теперь станет намного проще обнаружить.
Получен лучший снимок огромной черной дыры, поглощающей нашу галактику
Ученые получили самый лучший снимок черной дыры за все время наблюдений. На нем запечатлено изображение Стрельца А* - сверхмассивной черной дыры в самом центре нашей галактики, Млечного Пути.
Как известно, черная дыра поглощает свет, так что увидеть ее практически нереально. Но центр галактики, где господствует черная дыра, наполнен материей, которая действует как матовое стекло. По словам Эдуардо Роса из Института Макса Планка, именно поэтому ученым удалось разглядеть саму черную дыру.
Источник: Telegram-канал "Рубить сплеча"