Черните дупки са най-загадъчните обитатели на космоса. Колкото и да

Черните дупки са най-загадъчните жители на космоса. Колкото и да се стараем, в никакъв случай не можем да разберем какво се случва оттатък хоризонта на събитията. Това е един плашещ мрак, от който нищо, даже фотоните светлина, не може да избяга. В продължение на доста десетилетия тези галактически чудовища се смятаха за хипотетични обекти, а доказателството за тяхното битие изглеждаше немислимо.

Същото може да се каже и за тъмната материя – хипотетична форма на материята, която не може да бъде следена и за която се счита, че съставлява към 85% от Вселената. Нейното битие, както и това на черните дупки, може да се изясни със мощното гравитационно въздействие, което тази субстанция оказва върху галактическите обекти, като ги задържа дружно. Не е ли учудващо, че загадъчната природа както на тъмната материя, по този начин и на черните дупки кара учените да считат, че тези жители на Вселената са свързани и че тъмната материя може да бъде открита посредством наблюдаване на тези галактически чудовища?

Една от най-големите загадки на актуалната физика е природата на тъмната материя. Но по какъв метод тя е обвързвана с черните дупки?

Структурата на черните дупки

Като едни от най-загадъчните и екзотични обекти във Вселената, черните дупки се образуват от колапса на солидните звезди и имат толкоз мощна гравитация, че даже светлината не може да се измъкне от техните граници. Основните детайли на структурата на черните дупки включват небосвод на събитията, сингулярност и акреционен диск. Но всичко по реда си.

Хоризонтът на събитията е границата към черната дупка, оттатък която всичко – от материята до фотоните светлина – изчезва вечно. Всъщност хоризонтът на събитията е самобитна „ точка, от която няма връщане “ – всичко, което го премине, става част от черната дупка и към този момент не може да взаимодейства с външния свят. Радиусът на хоризонта на събитията се назовава радиус на Шварцшилд и зависи от масата на черната дупка.

Хоризонтът на събитията на черната дупка е точката, от която няма връщане обратно

Що се отнася до центъра на черната дупка, там има сингулярност – точката, в която плътността на материята и кривината на пространство-времето стават безкрайни. Тук законите на физиката, както ги разбираме, престават да работят. Погълнатата от черната дупка материя се свива до безпределно дребни размери, създавайки голяма гравитационна мощ.

Интересно е, че това, което прави черните дупки наблюдаеми, е акреционният диск, който се състои от газ и прахуляк и обикаля към тях. Материалът в акреционния диск се нагрява до извънредно високи температури в резултат на триенето и гравитационните сили, като излъчва в разнообразни диапазони на електромагнитния набор, в това число рентгенови лъчи.

Струи, въртене и гравитация

Някои черни дупки, изключително свръхмасивните черни дупки (тези в центровете на галактиките), могат да изхвърлят тесни струи материя, наречени джетове. Тези струи се изхвърлят по осите на въртене на черната дупка и могат да се простират на хиляди светлинни години. Струите се образуват от материал, който не е бил обхванат от черната дупка, а вместо това е интензивен от нейните магнитни полета.

Джетът – плазмена бликам, излизаща от черната дупка в нейния център. Той от време на време трансформира посоката си

Съществуват и въртящи се черни дупки или черните дупки на Кер, чийто небосвод на събитията и конструкция се разграничават доста от невъртящите се аналози. Такива черни дупки основават резултата на „ влачене “ на пространство-времето към себе си.

Черните дупки оказват мощно влияние върху околното пространство-време. Те го огъват толкоз доста, че провокират резултати, предсказани от общата доктрина на относителността на Айнщайн, като да вземем за пример гравитационната леща (огъване на светлината към черната дупка) и закъснение на времето наоколо до хоризонта на събитията.

Въпреки че през 2019 година черните дупки се трансфораха от хипотетични обекти в действително съществуващи, те към момента са обект на интензивни проучвания, защото дават неповторими благоприятни условия за инспекция на знанията ни за гравитацията, квантовата механика и структурата на Вселената.

Същност на тъмната материя

Физиците приказват за тъмната материя от дълго време и доста, тъй като съгласно наблюденията и наличните данни тя би трябвало да съществува. Освен това, с цел да се обяснят гравитационните аномалии в пространството, тъмната материя би трябвало да е към 5 пъти по-разпространена във Вселената от елементарната забележима материя – тъй че в нашата вселена има 15 пъти повече тъмна материя от елементарната.

За съществуването на тъмната материя учените съдят по гравитационното ѝ влияние върху галактическите обекти

Проблемът обаче е, че тъмната материя по своята същина също е съвсем невероятно да бъде открита, защото тя взаимодейства извънредно едва с елементарната материя, като се изключи гравитацията. Въпреки че природата на тъмната материя остава мистерия, множеството откриватели считат, че тази хипотетична субстанция е формирана от незнайни обикновени частици.

За страдание, макар десетилетията старания, в нито един опит не са открити нови частици, които биха могли да бъдат виновни за тъмната материя –

казва Пшемек Мроз от Астрономическата обсерватория на Варшавския университет в Полша.

Мроз е водещ създател на две публикации, оповестени наскоро в Nature и в приложения към Astrophysical Journal, в които се ревизира дали може да се изясни тъмната материя с различен тайнствен клас обекти във Вселената – черните дупки.

Физиците желаят да схванат по какъв начин са свързани тъмната материя и черните дупки

Да напомним, че след откриването на сливанията на черни дупки през 2015 година са открити към 100 случая. Тези черни дупки нормално са 20-100 пъти по-тежки от нашето Слънце, до момента в който черните дупки, открити преди този момент в Млечния път, нормално са единствено 5-10 слънчеви маси.

„ Обяснението за какво тези две популации черни дупки са толкоз разнообразни е една от най-големите загадки на актуалната астрономия “,

се споделя в публикацията.

Как може да бъде открита тъмната материя?

Опитвайки се да отговорят на тези и други въпроси, откривателите допускат, че по-големите черни дупки, открити от опитите LIGO и Virgo, са първоначални черни дупки, образувани в ранната Вселена. Тъй като детекторите на гравитационни талази се употребяват за разкриване на нови черни дупки, физиците допускат, че тези първоначални черни дупки може да съставляват забележителна част, в случай че не и цялата тъмна материя. Освен това, макар че черните дупки не излъчват светлина, тази доктрина може да бъде тествана.

Следствие от общата доктрина на относителността на Айнщайн е, че солидните обекти могат да огъват светлината към себе си. Този резултат се назовава гравитационна леща. Когато солиден обект, да вземем за пример черна дупка, се окаже сред Земята и други обекти, да вземем за пример галактики, тези галактики усилват размерите си и яркостта им се усилва.

Колкото по-голяма е масата на обекта, създаващ гравитационната леща, толкоз повече се усилва яркостта на телата зад него

Обърнете внимание, че гравитационното линзиране на обекти с размерите на Слънцето трае няколко седмици. Но гравитационното линзиране на черни дупки с маси, по-големи от 100 слънчеви маси, би траяло няколко години.

Идеята, че гравитационното линзиране може да помогне при проучването на тъмната материя, е препоръчана за първи път през 80-те години на предишния век от полския астрофизик Богдан Пачински. Експериментите демонстрират, че черните дупки, по-малки от Слънцето, биха могли да съставляват по-малко от 10% от тъмната материя. Но тези ранни опити не са били чувствителни към линзирането в по-дълги интервали от време.

Пробойна в теорията

Сега астрономите от опита за оптично гравитационно линзиране (OGLE, Optical Gravitational Lensing Experiment) показаха нови резултати от 20-годишното наблюдаване на 80 милиона звезди в близкия Голям Магеланов облак. Ако тъмната материя в Млечния път се състоеше единствено от черни дупки, откривателите щяха да чакат да видят 258 случая на микролинзиране. Вместо това резултатите демонстрираха единствено 13.

На диаграмата галактиките са маркирани с жълти точки. Очаквани и следени феномени на микролинзиране от солидни обекти по посока на Големия Магеланов облак, следени през ореола на Млечния път

„ Това демонстрира, че солидните черни дупки може да съдържат не повече от няколко % тъмна материя. За да бъдем точни, черните дупки с маса 10 слънчеви маси могат да съдържат не повече от 1,2% тъмна материя. Черните дупки с маса 100 слънчеви маси съставляват 3,0 % от тъмната материя, а черните дупки с маса 1000 слънчеви маси – 11 % от тъмната материя “,

обяснява Мроз.

Откритията демонстрират, че първичните черни дупки не могат да съставляват основна част от тъмната материя, като в същото време изясняват следените скорости на обединение на черни дупки, измерени от LIGO и Virgo. Така или другояче, загадката какво съставлява по-голямата част от тъмната материя остава неразгадана.