Черная дыра средней массы – это черная дыра, масса которой находится в промежутке между массой черной дыры звездной массы и массой сверхмассивной черной дыры.
Черные дыры средней массы относят к промежуточному типу данных объектов, процесс увеличения которых проходит за счет аккреции вещества расположенных рядом с ними небесных тел (скоплений газа).
Черные дыры
Черной дырой принято называть пространственно-временную область, которая имеет горизонт событий. Это область с сильным гравитационным полем, которую не может покинуть никакая материя. (Квантовые эффекты не учитываются).
Первые предсказания наличия подобных объектов было сделано в XVIII веке Дж. Мичеллом. Ученый пролагал, что при сжимании нашего Солнца до диаметра в шесть километров свет не может его покинуть.
Следуя за Лапласом, опираясь на законы Ньютона легко получить, что для некоторого радиуса $r_g$, равного
$r_g=\frac{2Gm}{c^2} \approx 2,95 (\frac{m}{M_c}) (км)(1),$
где $G$ - гравитационная постоянная; $c$ - скорость света; $m$ - масса тела; $M_c$ - масса Солнца.
Никакая частица не способна покинуть тело массы $m$.
Позднее наличие черных дыр было предсказано Оппенгеймером и Снайдером, исходя из положений общей теории относительности Эйнштейна. Ученые предположили, что данные объекты возникают при гравитационном сжатии вещества.
Современная наука предполагает, что черные дыры могли возникнуть:
- в начале формирования Вселенной из первоначальных отклонений в распределении плотности вещества;
- как результат эволюции звезд и их скоплений.
При одновременном выполнении двух условий:
- ядро звезды, начавшей коллапс, имеет большую массу;
- кинетическая энергия сжатия велика;
с приближением к ядерной плотности процесс имплозии может замедляться, но не способен остановиться. Силы гравитации с течением времени все больше превалируют, проходит полный коллапс. Возникающую при этом процессе систему называют черной дырой.
Предполагают, что черные дыры способны возникать в результате следующих процессов:
- Непосредственно в результате гравитационного коллапса звезды, имеющей плотное ядро в черную дыру.
- В результате процесса, состоящего из двух этапов. В этом случае происходит коллапс звезды в горячую нейтронную звезду. После этого идет охлаждение нейтронной звезды, и она коллапсирует в черную дыру.
- В результате многоступенчатого процесса, при котором на первом этапе возникает устойчивая нейтронная звезда. Эта звезда непрерывно поглощает вещества около себя. Масса звезды увеличивается до значения, которое требуется для начала коллапса.
Непосредственное наблюдение черной дыры в настоящее время не представляется возможным. Ее можно найти только по косвенным эффектам, которые связаны с наличием у дыры сильного поля гравитации. Так черная дыра способна оказывать существенное воздействие на движение окружающего ее вещества и распространение излучения.
Ученые считают, что некоторые черные дыры могут вращаться.
Не смотря на то, что теоретически черные дыры исследуются давно, их существование подтверждено только в 2015 году. К этому времени имеется большое число представителей, которые претендуют на роль черной дыры.
Один из видов классификации черных дыр
В зависимости от их массы (условно) черные дыры разделяют на три вида:
- Черные дыры, имеющие массу звезды. Эти объекты возникли как результат коллапса звезды после прекращения в ее недрах термоядерных реакций. Наименьшая масса звезды, которая может породить черную дыру, составляет 1,5 – 3 массы Солнца. Большая масса такой звезды не дает ей возможность превратиться в белого карлика или нейтронную звезду. Масса этого типа черных дыр не превышает 200 – 300 масс Солнца.
- Сверхмассивные черные дыры. Это космические объекты, имеющие массы $10^5 – 10^{10}M_c$. Сверхмассивные черные дыры обладают невысокой плотностью вещества и слабыми приливными силами. Они находятся предположительно в активных ядрах крупных галактик.
- Между первыми двумя типами черных дыр находятся черные дыры средней массы. Полагают, что эти черные дыры увеличили свою массу, поглощая вещество объектов, которые расположены около них. Черные дыры средней массы имеют массу превышающую массу Солнца в несколько тысяч раз.
Наиболее распространенными ученые считают черные дыры звездной массы и сверхмассивные черные дыры.
Механизмы возникновения черной дыры средней массы
Считается, что черная дыра средней массы не может возникнуть в результате коллапса звезды напрямую, поскольку у них масса достаточно велика.
Исследователи считают, что возникновение черных дыр средней массы может происходить в результате:
- объединения двух и более черных дыр первого типа;
- возникновения на ранних этапах формирования Вселенной;
- зарождения в ядре квазизвезды;
- при столкновениях звезд большой массы с последующим коллапсом.
Большинство ученых считает, что механизм появления черных дыр средней массы пока не выяснен.
Кандидат в черные дыры средней массы
В журнале Nature в 2017 году сообщалось, что в середине звездного скопления 47 Тукана (NGC 104) обнаружили кандидата на роль черной дыры средней массы. По оценкам ученых масса данной черной дыры 2200 $M_c$.
Исследованное звездное скопление находится в 13 тысячах световых лет от нашей планеты в созвездии Тукан. Возраст скопления порядка двенадцати миллиардов лет. Звезды скопления отличаются большой яркостью.
Проводя поиск черной дыры в данном звездном скоплении, исследователи сделали анализ динамики светящихся объектов всего скопления. Для этого использовались данные наблюдений радиообсерватории Паркса (Австралия). Была построена модель задачи из N гравитирующих тел. Вычисления показали, что в середине NGC 104 должна присутствовать черная дыра средней массы.
Удостовериться ученые решили, рассматривая пульсары созвездия. Была выдвинута гипотеза о том, что при наличии в центре NGC 104 черной дыры пульсары рядом с ней иметься не должны и наоборот. Наблюдения показали, что пульсаров в центре скопления нет.
Роль черных дыр промежуточной массы достоверно не известна.
