Звуковые волны черной дыры впервые стали слышны
В 2003 году астрономы обнаружили, что сверхмассивная черная дыра в центре скопления галактик Персея, расположенного на расстоянии 250 миллионов световых лет от нас, излучает волны давления, которые вызывают пульсации в газе галактического скопления, которые можно перевести в ноты. В музыкальном смысле высота (частота) этого звука соответствует си-бемолю, но мы не можем его услышать, потому что эта нота находится на 57 октав ниже! Новая система озвучивания позволяет нам впервые услышать звук этой черной дыры.
"В космосе никто не услышит вашего крика", — эта знаменитая фраза, связанная с фильмом "Чужой", заслуживает некоторого объяснения. В космосе вы не можете услышать никакого звука, но это не значит, что там не испускаются звуковые волны: это просто означает, что там недостаточно материи, чтобы переносить эти волны. Космос - это, по сути, вакуум, в котором рассеяны частицы газа и пыли; но они находятся так далеко друг от друга, что распространяемые ими звуковые волны имеют чрезвычайно низкую частоту, неслышимую для человеческого слуха.
Когда звуковая волна проходит вокруг нас, она вызывает колебания давления воздуха; время между каждым из этих колебаний - это частота звука, а расстояние между пиками колебаний - длина волны. Если расстояние между частицами воздуха больше этой длины волны, колебания прекращаются и звук затухает. Таким образом, в космосе звуки должны иметь очень большую длину волны, чтобы пройти от одной частицы к другой: это приводит к тому, что звук становится слишком низким для нас - самый низкий звук, который может различить человеческий слух, имеет частоту 20 Гц (т.е. 20 колебаний в секунду).
Звуки, которые могут влиять на формирование звезд
Звук, испускаемый черной дырой из скопления Персея, примерно в миллион миллиардов раз глубже, чем звуки, которые мы можем слышать: он генерирует эквивалент одного колебания каждые 10 миллионов лет! Во время "Недели черных дыр", организованной НАСА со 2 по 6 мая, ученые создали новое звуковое представление этого явления, используя данные рентгеновской обсерватории "Чандра", которая обнаружила звуковые волны в 2003 году.
Эта сонификация не похожа ни на одну из тех, что были сделаны ранее. Звуковые волны извлекались в радиальных направлениях, т.е. от центра к внешней стороне черной дыры, и рассеивались против часовой стрелки от центра. Затем сигналы были ресинтезированы в диапазоне человеческого слуха, т.е. на 57 и 58 октав выше их фактической высоты тона. На практике это означает, что мы слышим их в 144 квадриллиона и 288 квадриллионов раз выше их первоначальной частоты! Послушайте результат:
На этом видео синий и фиолетовый цвета представляют рентгеновские данные, снятые аппаратом Чандра. Радарное сканирование вокруг изображения позволяет нам услышать волны, излучаемые в разных направлениях.
Обратите внимание, что звуковые волны, распространяющиеся внутри галактических скоплений и между галактиками, также являются механизмом нагрева плазмы во внутригалактической среде, поскольку они несут энергию - газ плотнее и намного горячее, чем за пределами скопления, в межгалактической среде. Таким образом, звуковые волны могут играть важную роль в эволюции скоплений галактик, поскольку звездообразование зависит от температурных условий.
Плазменная струя, преобразованная в мелодию
Хотя звук, исходящий из скопления галактик Персея, является самой низкой нотой во Вселенной, когда-либо обнаруженной человеком, это не единственный звук, который был сонифицирован. Сверхмассивная черная дыра в галактике Мессье 87, изображение которой впервые было получено в 2019 году коллаборацией телескопов Event Horizon Telescope, была объектом многочисленных наблюдений других инструментов. Эта черная дыра характеризуется огромной плазменной струей, выходящей из ядра и простирающейся по меньшей мере на 5000 световых лет. Данные, связанные с этой струей, также были преобразованы в звук:
Обратите внимание, что это не волны давления, как в случае со скоплением Персея, а световые волны разной частоты. На этом видео сверху вниз показаны рентгеновское излучение, зафиксированное "Чандрой", оптический свет, зафиксированный "Хабблом", и радиоволны, записанные Большим миллиметровым массивом Атакама в Чили.
Самая яркая точка в левой части изображения соответствует расположению черной дыры, а структура в правом верхнем углу представляет собой джет, образованный веществом, падающим в черную дыру. Каждая длина волны связана с различным диапазоном слышимых звуков: радиоволны связаны с самыми низкими тонами, оптические данные - со средними тонами, а рентгеновские лучи - с самыми высокими тонами. Видно, что самые яркие области соответствуют самым громким звукам в сонификации.
Наконец, еще один проект по сонификации был осуществлен группой под руководством Эрин Кара, астрофизика из Массачусетского технологического института, в рамках попытки составить карту окружающей среды вокруг черных дыр, подобно тому, как летучие мыши используют эхолокацию для обнаружения препятствий и добычи в темноте. Черные дыры в бинарных системах иногда испускают рентгеновское эхо, когда поглощают вещество соседней звезды: используя "реверберационную машину" (Neutron Star Interior Composition Explorer, или NICER), Кара и ее команда преобразовали это эхо в слышимые звуки, чтобы определить временные сдвиги (между исходными выбросами и их эхом) и проследить эволюцию черных дыр, когда они поглощают вещество. Их работа позволяет лучше понять связи между диском, струей и короной черной дыры.