Суперечить правилам. Найбільша чорна діра у Всесвіті: яку таємницю вона приховує

Більшість надмасивних чорних дір знаходяться в центрах галактик. І навколо них обертаються всі зірки. Якщо в центрі Чумацького Шляху знаходиться чорна діра, маса якої в 4 млн разів більша за масу Сонця, то це карлик порівняно з найбільшою відомою чорною дірою. Вона називається TON 618 і її маса в 66 млрд разів більша, ніж маса Сонця. Щоб зрозуміти, наскільки величезною є чорна діра TON 618, можна уявити собі масу всіх зірок Чумацького Шляху, які перетворилися на одну грудку матерії. І навіть у цьому випадку буде нахапати ще кількох мільярдів мас Сонця. То як же чорна діра TON 618 стала таким величезним космічним чудовиськом? Про це пише Science Focus.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Що насправді станеться, якщо наблизитися до чорної діри?

Чорні діри складаються з величезної кількості матерії, яка скупчилася в одному місці і була стиснута так щільно, що сильна гравітація об'єкта не дає змоги вирватися світлу з її надр. Але це не означає, що чорні діри поглинають все, що зустрічається їм на шляху. Навколо наймасивнішої чорної діри у відомому Всесвіті TON 618 продовжують кружляти мільярди зірок і їх не засмоктує всередину цього об'єкта. Насправді виростити чорну діру неймовірно складно.

Для початку, потрібно, щоб матерія наблизилася дуже близько до чорної діри, щоб на неї подіяла гравітація чорної діри. Якщо матерія виявиться занадто близько, її притягне гравітація чорної діри, і вона різко зростає в міру наближення.

Гравітація чорної діри збільшується так швидко, що якби ви наблизилися до неї, то станеться розтягнення вашого тіла у вигляді спагеті. Цей процес ще називають спагеттифікацією. Саме так закручується матерія із зірок і газових хмар навколо чорної діри, які наближаються до неї.

Після спагеттифікації матерія втягується на орбіту навколо чорної діри і потрапляє в закручений обертовий диск. Опинившись у ньому, матерія перебуває далеко від точки неповернення, тобто горизонту подій чорної діри. Це сфера навколо чорної діри, яку використовують учені для визначення її розміру.

У той час як матерія всередині горизонту подій стискається в нескінченно малий простір, відомий як сингулярність, розмір чорної діри — це область простору, з якої не виходить світло. Це відстань від сингулярності, на якій потрібно рухатися швидше за швидкість світла, щоб уникнути гравітації чорної діри. Інакше ви станете частиною цього космічного монстра.

Що насправді потрапляє в чорну діру?

Причина, з якої матерія може перетинати горизонт подій, полягає в тому, що відбуваються зіткнення частинок у диску навколо чорної діри. Частинки стикаються і передають енергію. Частинка, яка отримає всю енергію, отримає імпульс, що відштовхує її далі від чорної діри. Але частинка, яка втратить енергію, не може протистояти гравітації і перетинає горизонт подій, щоб стати частиною чорної діри.

Не кожне зіткнення призведе до такого різкого обміну енергією. Тільки коли частинка стикається в області, відомій як найвнутрішніша стійка кругова орбіта (ISCO), вона, нарешті, перетне горизонт подій.

ISCO знаходиться приблизно втричі далі від горизонту подій і, як правило, показує внутрішній край обертового диска матерії. Процес зіткнення частинок, обміну енергією і падіння за горизонт подій займає мільйони років.

Скільки матерії може впасти в чорну діру?

Існує також межа того, скільки матерії може притягнути чорна діра за певний час. Всесвіт фактично не дає можливості рости чорним дірам, якщо вони стають занадто ненажерливими.

Це відбувається тому, що диск матерії, який обертається навколо чорної діри, рухається і стикається з такою неймовірною швидкістю, що починає нагріватися через тертя. Він нагрівається до такої екстремальної температури, що світиться. Але це світіння настільки інтенсивне, що воно чинить тиск назовні або тиск випромінювання, який не дозволяє більшій кількості матерії падати всередину чорної діри.

Існує тонкий баланс між розміром чорної діри і кількістю матерії в її диску, і коли досягається певний поріг, швидкість, з якою вона може накопичувати матерію, обмежується.

Наскільки великими можуть стати чорні діри?

Що робить чорну діру TON 618 такою винятковою, так це величезна кількість фізичних процесів, які стоять на шляху зростання чорної діри до таких розмірів. Хоча тиск випромінювання накладає обмеження на швидкість зростання чорної діри, відоме як межа Еддінгтона, донедавна вчені не знали, чи є межа тому, наскільки масивною може стати чорна діра.

Наскільки відомо, межі немає. Теоретично, може відбуватися об'єднання чорних дір нескінченно. Але є межа тому, наскільки великими можуть вирости чорні діри за допомогою накопичення матерії.

9 років тому Ендрю Кінг з Університету Лестера зміг оцінити максимальну масу, яку може досягти чорна діра за допомогою накопичення матерії — 50 млрд мас Сонця. Водночас Кінг виявив дивну особливість у гравітації чорних діри і в її основі лежить положення ISCO, яке, як і горизонт подій, пов'язане з тим, наскільки масивна чорна діра. У міру збільшення маси чорної діри ISCO знаходиться далі.

Проблема для зростаючої чорної діри полягає в тому, що ISCO виходить за межі так званого радіуса самогравітації. Відстань, на якій радіус самогравітації перебуває навколо чорної діри, є ще одним фактором, пов'язаним із масою чорної діри, але вона також залежить від об'єкта, який до неї наближається.

Радіус самогравітації позначає точку, в якій тяжіння гравітації, що утримує об'єкт, який наближається, разом (самогравітація), є сильнішим, ніж тяжіння з боку чорної діри. Саме тому можна побачити цілі галактики, що оточують надмасивні чорні діри. За межами цього радіусу газ у галактиці притягується більше до себе, ніж до чорної діри, яка знаходиться в її центрі. Якби це було не так, газ ніколи б не стиснувся під дією гравітації для утворення зірок. Замість цього всі атоми були б частиною одного гігантського диска, що обертається навколо надмасивної чорної діри.

Чорна діра, що порушує правила

Саме Кінг вказав, що коли чорна діра досягає маси в 50 млрд разів більшої, ніж у Сонця, ISCO виходить за межі радіуса самогравітації. Це означає, що незалежно від того, скільки зіткнень станеться, будь-які частинки в диску, що обертається навколо чорної діри, ніколи не втратять достатньо енергії, щоб зменшити свою орбіту таким чином, що це дасть їм змогу досягти ISCO та по спіралі потрапити в чорну діру. Натомість тяжіння гравітації від усіх інших частинок у диску завжди буде сильнішим, ніж тяжіння від чорної діри.

Ось чому чорна діра TON 618 так цікава астрономам, адже вона знаходиться вище максимальної межі маси для чорної діри, яка не обертається. Більшість чорних дір обертаються, що збільшує масу, яку вони можуть досягти, перш ніж перемістять ISCO за межі радіуса самогравітації, але це все одно означає, що TON 618 може наближатися до своєї максимально можливої маси.

Як уже писав Фокус, рідкісний вибух на Сонці призвів до зміни магнітного поля Землі. Сонячний вітер залишив магнітосферу нашої планети без її звичного хвоста.