В Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН создана модель, описывающая влияние активности сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей Галактики на исходящее из этого района излучение. Работа была представлена на организованной институтом XIV Школе молодых учёных «Актуальные проблемы физики».

    В прошлом году астрономы зафиксировали самую значительную за всё время наблюдений вспышку излучения сверхмассивной чёрной дыры Стрелец A*, расположенной в центре нашей галактики. Хотя пик интенсивности составил всего 700 высокоэнергетических фотонов, этот показатель превысил среднюю для Стрельца A* интенсивность примерно в 150 раз. Сообщение облетело научные блоги и СМИ за несколько недель до проведения в Звенигороде XIV Школы молодых учёных, на которой была представлена работа, посвящённая влиянию активности этой чёрной дыры на излучение из центра Млечного пути.

    Автор исследования, научный сотрудник ФИАН, кандидат физико-математических наук Дмитрий Чернышов отмечает, что по сравнению с другими чёрными дырами подобной массы у Стрельца А* излучение действительно имеют довольно низкую интенсивность. Однако некоторые данные указывают на то, что в прошлом она проявляла себя намного «ярче». Оказывается, всего 100 лет назад яркость чёрной дыры в рентгеновском диапазоне была в 1 млн. раз выше, и длительность этой вспышки составляла как минимум несколько лет (для сравнения – самая яркая вспышка Стрельца А* за всю историю наблюдений была лишь в 1000 раз выше средней интенсивности и длилась всего час).

    В качестве возможной причины повышенной яркости учёные называют приливное разрушение и аккреция чёрной дырой некоего объекта, чья масса сравнима с несколькими массами Земли. Гораздо больший эффект оказывает приливное разрушение звёзд, подходящих на опасное расстояние к чёрной дыре. Выбрасываемая при этом энергия может  на два порядка превосходить энергию взрыва сверхновых звёзд. Судя по динамике звёзд в окрестностях, центральная чёрная должна захватывать их каждые 10 тысяч – 100 тысяч лет.

 

    Учёный обратил внимание на то, что эти процессы могут серьёзно влиять на излучение, идущее из центра Млечного Пути.

    Дмитрий Чернышов: «Приливные разрушения могут отвечать за целый ряд астрофизических явлений. Мы выделяем три проблемы: формирование аннигиляционной линии 511 кэВ, происхождение рентгеновского излучения из галактического центра и появление так называемых “пузырей Ферми” (гигантских структур гамма-излучения в виде пузырей, расположенных симметрично сверху и снизу от центра Галактики)».

    Аннигиляционная линия на энергии 511 кэВ – это ярчайшая линия в спектре излучения Млечного пути на энергиях, превышающих 10 кэВ. Такое название она получила потому, что излучение образуется в процессе аннигиляции: электроны сталкиваются со своими античастицами, позитронами, и на их месте появляются два или три кванта гамма-излучения (фотоны большой энергии). При рождении двух фотонов каждый из них имеет энергию, равную массе покоя электрона или позитрона, – 511 кэВ. Несмотря на то, что аннигиляционную линию изучают уже не первое десятилетие, однозначного мнения о её происхождении нет. Прежде всего, это связано с тем, что до сих пор не выяснена природа происхождения главных «участников» этого процесса – позитронов.

    В качестве возможных первопричин рентгеновского излучения учёные рассматривают различные явления, в первую очередь – свет большого количества неразличимых источников и тепловое излучение горячей плазмы.  В данном случае за основу была взята вторая гипотеза.

    Дмитрий Чернышов: «Если эта теория верна, то возникает вопрос об источнике энергии, питающем эту плазму. Приливное разрушение звёзд чёрной дырой как раз обладает достаточной для этого мощностью».

    Что касается Ферми-пузырей – протяжённых структур гамма-излучения, обнаруженных в 2010 году с помощью обсерватории «Ферми», – предполагается, что они образовались за счёт ударных волн, которые появляются при захвате звёзд центральной чёрной дырой. Происходит это следующим образом. Когда звёзда вплотную приближаются к чёрной дыре, она разрушается приливными силами и «захватывается» ядром галактики. Энергия, высвобождающаяся при захвате, нагревает газ вокруг чёрной дыры и порождает ударные волны – источник заряженных частиц высокой энергии, необходимых для формирования Ферми-пузырей.

    В научной литературе для каждого из этих явлений уже построена как минимум одна модель, предлагающая объяснение интенсивности космического излучения и его спектральных свойств. Автор работы отмечает, что модели строятся на различных предположениях об источниках энергии и механизмах ускорения частиц до высоких энергий, однако поскольку все эти объекты расположены вблизи центра нашей Галактики, вероятно, их появление связано с активностью сверхмассивной чёрной дыры Стрелец А*.

    Представленное исследование примечательно тем, что может объяснить «географию» центра Млечного Пути в рамках единой модели, которая, к тому же, хорошо согласуется с наблюдаемой интенсивностью и спектральными свойствами излучения. За цикл работ по этой теме Дмитрию Чернышову была присуждена премия им. П.Н. Лебедева в рамках молодёжного конкурса Учебно-научного комплекса ФИАН в 2012 году.

О. Овчинникова, АНИ "ФИАН-Информ"

24.04.2013

    Профессор Пьетро Фре из Туринского университета выступил на Гинзбурговской конференци с докладом «Экстремальные чёрные дыры, нильпотентные орбиты и классы универсальности Титса-Сатаке». В интервью «ФИАН-информ» учёный прокомментировал работу и поделился своим виденьем актуальных проблем теоретической физики.

    – Почему Вы обратились к изучению чёрных дыр в связи с теориями супергравитации?

    – Дело в том, что сейчас мы наблюдаем повышенный интерес к решениям уравнений Эйнштейна для чёрных дыр именно в рамках теорий супергравитации (теорий, объединяющих принципы суперсимметрии и общей теории относительности). На мой взгляд, этот интерес появился по двум причинам: с одной стороны, мы всё больше узнаём о классических решениях различных теорий гравитации, с другой – в решениях для чёрных дыр в рамках супергравитации содержится множество важных аспектов, поняв которые, мы, возможно, получим описание чёрных дыр на микроскопическом уровне. Это, в свою очередь, необходимо для понимания макроскопических конфигураций чёрных дыр, а значит – процессов, происходящих в этих образованиях. Исследования в этом направлении начались в 1996 году с работы Строминджера, за которой последовал ряд других важных результатов, и со временем стало ясно, что чёрные дыры – это исключительный «полигон» для проверки идей квантовой теории гравитации.

    – Расскажите о Вашем докладе на Гинзбурговской конференции ФИАН.

    – В работе, которую я представил на конференции, определяется ряд алгебраических методов, также широко используемых в точно решаемых моделях (математические модели физических систем, допускающие точное вычисление собственных функций и собственных значений гамильтониана этих систем), – эта область, кстати, хорошо разработана в России. Мы же рассматриваем эти методы в контексте теоретико-групповых подходов к супергравитации, т.е. изучая группы преобразований, при которых теория остаётся инвариантной. Определив свойства инвариантности, можно выяснить свойства симметрии супергравитации, и, следовательно, лучше узнать пространство решений супергравитационных теорий. В общем, сейчас мы получили наиболее полный список таких решений для чёрных дыр.

    – Какие достижения в современной фундаментальной физике Вы бы выделили как наиболее значительные?

    – На мой взгляд, самые заметные результаты за минувшее десятилетие достигнуты в космологии. Эта сфера действительно серьёзно продвинулась. Крайне важные наблюдения, сделанные в последнее время, абсолютно изменили представления в этой области буквально за считанные годы. Скажем, ещё двенадцать лет назад мы не знали, что Вселенная «плоская» и что она расширяется с ускорением, так же как и то, что в основном она состоит из тёмной материи и тёмной энергии, – сегодня почти не осталось сомнений в том, что это так. В общем, у нас есть очень полная картина Вселенной. Кроме того, изучая микроволновое реликтовое излучение, мы сейчас приступаем к поиску ответов на вопросы об основополагающих законах природы, так что в качестве ведущей области фундаментальной науки в ближайшие годы я вижу именно космологию.

    Конечно, если будет окончательно установлено, что частица, детектированная на Большом адронном коллайдере (БАК), действительно является бозоном Хиггса и, таким образом, мы сможем уточнить семейство суперпартнёров и точно описать хиггсово поле, это станет крайне важным шагом. Если же вдруг такого не произойдёт (хотя это маловероятно, теоретики всё больше склоняются к выводу, что это та самая частица), БАК может стать последним ускорителем и нам придётся искать новые подходы в теоретической физике. На мой взгляд, в любом случае ответы на многие вопросы нас ждут в космосе. Эти исследования не простые, но многообещающие, так как в них объединяется космология, астрономия, физика частиц и фундаментальная математика.

    – Ваше мнение о Гинзбурговской конференции?

    – Это уникальное мероприятие в том смысле, что на нём представлен очень широкий круг направлений физики. Сейчас таких конференций проходит не много. Проводятся важные совещания по различным тематикам, но именно таких, общих, конференций мало. При этом широта охвата не мешает ему быть глубоким и профессиональным. Кроме того, научные собрания в ФИАНе связаны с давними традициями. Приезжая сюда, всегда получаешь возможность, что называется, «обратиться к истокам», ведь институт играл очень значительную роль и в советское время, и учёные помнят об этом. Так что по сравнению с другими крупными конференциями здесь чувствуется особая атмосфера.

О. Овчинникова, АНИ "ФИАН-Информ"

28.03.2013

Группа физиков из Калифорнийского технологического института разработала новую систему визуализации искривления пространства-времени рядом с чёрными дырами. С её помощью учёные рассчитывают выяснить причины целого ряда космических явлений, среди которых - излучение гравитационных волн и слияние чёрных дыр.

    В рамках Гинзбурговской конференции по физике, проходившей в Физическом институте им. П.Н. Лебедева летом этого года, знаменитый американский физик-теоретик, заслуженный профессор Калифорнийского технологического института Кип Торн представил свой взгляд на современное состояние исследований чёрных дыр и на перспективы этого направления науки. Главным тезисом выступления стала идея о том, что мы стоим на пороге нового «золотого века» в изучении чёрных дыр. Такой оптимизм Торн объяснил значительным прогрессом, который в последнее время наблюдается в разработке двух важных инструментов для изучения динамического поведения искривлённого пространства-времени вблизи чёрных дыр. Первый из них – численное моделирование процессов, происходящих в чёрных дырах, – появился ещё в 1960-х годах, но активное развитие получил в последние семь лет. Таким численным моделированием сейчас занимается целый ряд исследовательских коллективов в Америке и Европе. Второй инструмент, разработка которого также началась в 1960-х годах, – детектирование гравитационных волн и связанное с этим наблюдение столкновений и слияний чёрных дыр. С использованием этих инструментов связана и представленная Торном работа, которую его группа в Калифорнийском технологическом институте проводит с коллегами из других научных организаций.

    Согласно Общей теории относительности, пространство-время искривляется вблизи вращающихся массивных тел, в частности, вблизи чёрных дыр. Хотя это явление хорошо известно физикам и было доказано спутниковыми наблюдениями в 1990-х годах, его очень сложно представить наглядно, из-за того что каждая точка пространства-времени характеризуется десятью различными параметрами. Группа Торна предложила сравнительно простую модель, раскрывающую суть процесса искривления. Учёные обозначили параметры векторами, которые, сливаясь, образуют протяжённые линии.

    Комментирует профессор Кип Торн: «В основе предложенного нами метода – линии двух типов, представляющие ключевые аспекты искривлённого пространства-времени. Мы назвали их линиями «растяжения» (tendex lines) и вихревыми линиями (vortex lines). Линии, подобно тому, как в электромагнетизме силовые линии обозначают изменения в электрическом и магнитном полях, отражают, соответственно, «приливную» гравитацию и так называемый эффект увлечения инерциальных систем отсчёта. Этот эффект заключается в том, что вращающийся массивный объект «тянет» пространство-время в направлении своего вращения. Иными словами, в вихревых линиях воплощены эффекты «скручивания» в искривлённом пространстве-времени, похожие на те, что действуют при отжимании полотенца. Линии «растяжения» показывают, как следует из названия, силы растяжения и сжимания, которые могут дробить и разрушать объекты рядом с чёрными дырами».

Слияние двух черных дыр

    Предложенная система визуализации поможет по-новому взглянуть на огромный массив данных, полученных с помощью компьютерного моделирования. Наиболее перспективный способ исследования геометродинамики на сегодняшний день - это численное моделирование столкновений и слияний парных чёрных дыр.

    С помощью нового метода физики, в частности, рассчитывают выяснить, почему при столкновениях происходит направленный выброс гравитационных волн – зачастую сильный настолько, что чёрная дыра оказывается вне галактики, в которой она зародилась. Предполагается, что асимметрия выброса гравитационных волн порождается взаимодействием линий «растяжения» и вихревых линий. В ходе моделирования было установлено, что эффекты, порождаемые линиями двух типов, уравновешивались с одной стороны чёрной дыры, но усиливали друг друга, порождая значительный поток гравитационных волн с другой.

Процесс генерации гравитационных волн
при столкновении двух черных дыр

    Кроме того, физики рассчитывают, что новая технология поможет определить свойства гравитационных волн и, следовательно, обнаружить сами волны среди массива данных, которые поступают в гравитационно-волновые обсерватории. По мнению Кипа Торна, кульминация «золотого века» исследований чёрных дыр наступит тогда, когда эти обсерватории смогут исследовать выявленные нелинейные структуры и другие аспекты нелинейной динамики искривлённого пространства-времени.

О. Овчинникова, АНИ "ФИАН-Информ"

23.10.2012