Астрономический объект черная дыра: астрономы нашли первую чёрную дыру, блуждающую по Галактике

астрономы нашли первую чёрную дыру, блуждающую по Галактике

08 февраля 2022
12:31

Ольга Мурая

Чёрные дыры проявляют себя лишь сильнейшим гравитационным воздействием на окружающие их видимые космические объекты.

Фото Pixabay.

Событие микролинзирования, зафиксированное телескопом «Хаббл».

Иллюстрация Sahu et al./arXiv, 2022.

Исследователи искали причину странного увеличения яркости одной из звёзд на небе и нашли этому лишь одно объяснение.

Теоретики некоторое время назад предположили, что в межзвёздном пространстве дрейфует множество чёрных дыр. Но до сих пор астрономы не находили ни одной такой скиталицы.

Поясним, что чёрные дыры сопоставимой со звёздами массы обычно существуют в паре с обычной звездой и обращаются вокруг общего с ней центра масс.

Если же происходит какое-то экстраординарное событие, например, взрыв сверхновой, чёрная дыра теоретически может отправиться в странствие по безбрежному космосу, получив ускорение от мощного взрыва. Однако найти таких «путешественниц без дома» крайне сложно.

Трудность их обнаружения связана с самой природой чёрных дыр — их трудно заметить на чёрном фоне космоса. И если чёрные дыры, у которые есть звёзды-компаньоны, можно засечь по излучению падающего на них вещества, которое они вытягивают из звезды-партнёра, то изолированные чёрные дыры обнаружить практически невозможно.

Тем не менее существуют убедительные доказательства существования таких одиночек.

Предыдущие исследования показали, что чёрные дыры часто образуются, когда звёзды достигают конца своей жизни, а их ядра коллапсируют, что обычно приводит к образованию сверхновых звёзд. И поскольку таких сверхновых наблюдалось немало, кажется очевидным, что в результате должно было образоваться множество чёрных дыр.

Недавно международная группа исследователей обнаружила косвенное подтверждение существования таких чёрных дыр-скиталиц.

Команда учёных в своём исследовании показала, что «подмигивание» звезды, наблюдавшееся ещё в 2011 году, было связано с наличием свободно плавающей чёрной дыры, блуждающей в межзвёздном пространстве.

Чтобы найти чёрную дыру, которая «свободно плавает в космосе», необходимо было искать эффекты гравитационного микролинзирования.

Гравитация объекта срабатывает как линза для излучения (когда свет, исходящий от звёзд, искривляется притяжением объекта), если он имеет огромную массу. Подобный процесс может иметь место и в случае чёрной дыры.

Правда, обычно астрономы ловят гравитационное линзирование целых галактик. Учитывая огромные расстояния космоса, такое микролинзирование массивными, но всё же очень маленькими чёрными дырами почти невозможно обнаружить даже с помощью лучших современных телескопов.

И вот в 2011 году учёным улыбнулась удача: сразу две проектные группы, искавшие эффект микролинзирования, заметили звезду, которая стала ярче, казалось, без всякой видимой причины. Заинтригованные исследователи приступили к анализу данных космического телескопа «Хаббл».

В течение шести лет астрономы наблюдали за изменением в параметрах приходящего излучения, надеясь, что это изменение произошло из-за микролинзирования чёрной дырой. Затем они обнаружили ещё кое-что интересное — положение звезды будто бы изменилось.

Событие микролинзирования, зафиксированное телескопом "Хаббл".

Иллюстрация Sahu et al./arXiv, 2022.

Исследователи предполагают, что это изменение могло быть связано только с тем, что невидимый движущийся объект — межзвёздная чёрная дыра — притягивал проходящее мимо неё излучение.

Астрономы продолжали изучать звезду и её излучение и в конечном итоге выяснили, что в месте предполагаемого микролинзирования нет звезды, от которой бы исходило наблюдаемое излучение.

Также учёные подтвердили, что увеличение яркости звезды продолжалось достаточно долго: а это является необходимым условием для подтверждения наличия чёрной дыры. Почему? Потому что краткосрочное увеличение яркости могло бы указывать на прохождение перед ней небольшого объекта, такого как планета, или, к примеру, на появление новой звезды.

Таким образом, собранные астрономами доказательства достаточно убедительны, чтобы подтвердить наблюдение чёрной дыры, находящейся «в свободном полёте». Исследователи даже смогли измерить её массу, равную семи солнечным. Это ещё раз указывает на то, что учёные наблюдают не белого карлика или нейтронную звезду (массы которых гораздо меньше).

Они также вычислили, что чёрная дыра-скиталица движется со скоростью примерно 45 км/с.

Исследователи заявили, что в будущем они будут использовать наблюдения с помощью чувствительных рентгеновских телескопов, чтобы определить, стягивает ли на себя предполагаемая чёрная дыра какой-либо материал из межзвёздной среды вокруг неё.

Кроме того, будущие инструменты смогут обнаруживать ещё больше изолированных чёрных дыр звёздной массы. Когда такая популяция чёрных дыр будет обнаружена и изучена, астрономы смогут использовать эти данные, чтобы узнать больше об описанном событии, получившем номер MOA-11-191/OGLE-11-0462, и других блуждающих чёрных дырах, населяющих Млечный Путь.

Исследовательская группа опубликовала научную работу с описанием своих выводов на портале препринтов arXiv.org. Публикация ещё не прошла процедуру рецензирования независимыми экспертами.

Напомним, ранее мы писали о первой чёрной дыре с «бьющимся и очень живучим сердцем». Также мы рассказывали о том, как сверхмассивная чёрная дыра разорвала близлежащую звезду практически на глазах у астрономов, а ещё о том, как учёные впервые заметили движение чёрной дыры.

Кроме того, мы сообщали о том, что древний галактический ветер рассказал о взаимодействии галактик с их чёрными дырами.

Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».

наука
звезды
космос
астрономия
Галактика
гравитация
излучение
черная дыра
препринт
новости

Черная дыра в космосе: откуда она возникает

Черная дыра в представлении художника

По причине относительно недавнего роста интереса к созданию научно-популярных фильмов на тему освоения космоса современный зритель наслышан о таких явлениях как сингулярность, антигравитация, темная материя или черная дыра. Однако, кинофильмы, очевидно, не раскрывают всей природы этих явлений, а иногда даже искажают построенные научные теории для большей эффектности. По этой причине представление многих современных людей о указанных явлениях либо совсем поверхностно, либо вовсе ошибочно. Одним из решений возникшей проблемы является данная статья, в которой мы попытаемся разобраться в существующих результатах исследований и ответить на вопрос – что такое черная дыра?

Содержание:

• 1 Возникновение теории черных дыр
• 2 Интерактивная модель черной дыры (откроется в новом окне)
  • 2. 1 Уравнение Эйнштейна
• 3 Образование черной дыры
• 4 Структура и физика черных дыр
• 5 Из чего состоит ЧД?
• 6 Что будет если попасть в черную дыру?
• 7 Черные дыры во Вселенной
  • 7.1 Кандидаты в ЧД
• 8 Сколько черных дыр в нашей галактике?
• 9 Самая большая черная дыра
• 10 Обнаружение черных дыр
• 11 Методы обнаружения
• 12 Слияние и столкновение черных дыр
• 13 Материалы по теме
• 14 Как умирают черные дыры?
• 15 Визуализация черной дыры (откроется в новом окне)
• 16 Нерешенный проблемы физики черных дыр
• 17 Интересные факты о черных дырах

Возникновение теории черных дыр

В 1784-м году английский священник и естествоиспытатель Джон Мичелл впервые упомянул в письме Королевскому обществу некое гипотетическое массивное тело, которое имеет настолько сильное гравитационное притяжение, что вторая космическая скорость для него будет превышать скорость света. Вторая космическая скорость – это скорость, которая потребуется относительно малому объекту, чтобы преодолеть гравитационное притяжение небесного тела и выйти за пределы замкнутой орбиты вокруг этого тела. Согласно его расчетам, тело с плотностью Солнца и с радиусом в 500 солнечных радиусов будет иметь на своей поверхности вторую космическую скорость равную скорости света. В таком случае даже свет не будет покидать поверхность такого тела, а потому данное тело будет лишь поглощать поступающий свет и останется незаметным для наблюдателя – неким черным пятном на фоне темного космоса.

Однако, концепция сверхмассивного тела, предложенная Мичеллом, не привлекала к себе большого интереса, вплоть до работ Эйнштейна. Напомним, что последний определил скорость света как предельную скорость передачи информации. Кроме того, Эйнштейн расширил теорию тяготения для скоростей близких к скорости света (ОТО). В результате этого к черным дырам уже было не актуально применять ньютоновскую теорию.

Уравнение Эйнштейна

В результате применения ОТО к черным дырам и решения уравнений Эйнштейна были выявлены основные параметры черной дыры, которых всего три: масса, электрический заряд и момент импульса. Следует отметить значительный вклад индийского астрофизика Субраманьяна Чандрасекара, который создал фундаментальную монографию: «Математическая теория чёрных дыр».

Таким образом решение уравнений Эйнштейна представлено четырьмя вариантами для четырех возможных видов черных дыр:

• ЧД без вращения и без заряда – решение Шварцшильда. Одно из первых описаний черной дыры (1916 год) при помощи уравнений Эйнштейна, однако без учета двух из трех параметров тела. Решение немецкого физика Карла Шварцшильда позволяет высчитать внешнее гравитационное поле сферического массивного тела. Особенность концепции ЧД немецкого ученого состоит в наличии горизонта событий и скрывающейся за ним сингулярности. Также Шварцшильд впервые вычислил гравитационный радиус, получивший его имя, определяющий радиус сферы, на которой располагался бы горизонт событий для тела с данной массой.
• ЧД без вращения с зарядом – решение Рейснера-Нордстрёма. Решение, выдвинутое в 1916-1918 годах, учитывающее возможный электрический заряд черной дыры. Данный заряд не может быть сколь угодно большим и ограничен по причине возникающего электрического отталкивания. Последнее должно компенсироваться гравитационным притяжением.
• ЧД с вращением и без заряда – решение Керра (1963 год). Вращающаяся черная дыра Керра отличается от статичной, наличием так называемой эргосферы (об этой и др. составных черной дыры – читайте далее).
• ЧД с вращением и с зарядом — Решение Керра — Ньюмена. Данное решение было вычислено в 1965-м году и на данный момент является наиболее полным, так как учитывает все три параметра ЧД. Однако, все же предполагается, что в природе черные дыры имеют несущественный заряд.

Образование черной дыры

Первое прямое визуальное изображение сверхмассивной черной дыры и ее тени в центре галактики M87

Существует несколько теорий о том, как образуется и появляется черная дыра, наиболее известная из которых – возникновение в результате гравитационного коллапса звезды с достаточной массой. Таким сжатием может заканчиваться эволюция звезд с массой более трех масс Солнца. По завершению термоядерных реакций внутри таких звезд они начинают ускоренно сжиматься в сверхплотную нейтронную звезду. Если давление газа нейтронной звезды не может компенсировать гравитационные силы, то есть масса звезды преодолевает т.н. предел Оппенгеймера — Волкова, то коллапс продолжается, в результате чего материя сжимается в черную дыру.

Второй сценарий, описывающий рождение черной дыры – сжатие протогалактического газа, то есть межзвездного газа, находящегося на стадии превращения в галактику или какое-то скопление. В случае недостаточного внутреннего давления для компенсации тех же гравитационных сил может возникнуть черная дыра.

Два других сценария остаются гипотетическими:

• Возникновение ЧД в результате Большого взрыва – т.н. первичные черные дыры.
• Возникновение в результате протекания ядерных реакций при высоких энергиях. Пример таких реакций – эксперименты на коллайдерах.

Структура и физика черных дыр

Структура черной дыры по Шварцшильду включает всего два элемента, о которых упоминалось ранее: сингулярность и горизонт событий черной дыры. Кратко говоря о сингулярности, можно отметить, что через нее невозможно провести прямую линию, а также, что внутри нее большинство существующих физических теорий не работают. Таким образом, физика сингулярности на сегодня остается загадкой для ученых. Горизонт событий черной дыры – это некая граница, пересекая которую, физический объект теряет возможность вернуться обратно за ее пределы и однозначно «упадет» в сингулярность черной дыры.

Реалистичный концепт аккреционного диска вокруг сверхмассивной черной дыры

Строение черной дыры несколько усложняется в случае решения Керра, а именно при наличии вращения ЧД. Решение Керра подразумевает наличие у дыры эргосферы. Эргосфера – некая область, находящаяся снаружи горизонта событий, внутри которой все тела движутся по направлению вращения черной дыры. Данную область еще не является захватывающей и ее возможно покинуть, в отличие от горизонта событий. Эргосфера, вероятно, является неким аналогом аккреционного диска, представляющего вращающееся вещество вокруг массивных тел. Если статичная черная дыра Шварцшильда представляется в виде черной сферы, то ЧД Керри, в силу наличия эргосферы, имеет форму сплюснутого эллипсоида, в виде которого мы часто видели ЧД на рисунках, в старых кинофильмах или видеоиграх.

Рассмотрим далее некоторые свойства черных дыр, которую зачастую интересуют читателя:

• Сколько весит черная дыра? – Наибольший теоретический материал по возникновению черной дыры имеется для сценария ее появления в результате коллапса звезды. В таком случае максимальная масса нейтронной звезды и минимальная масса черной дыры определяется пределом Оппенгеймера — Волкова, согласно которому нижний предел массы ЧД составляет 2.5 – 3 массы Солнца. Самая тяжелая черная дыра, которую удалось обнаружить (в галактике NGC 4889) имеет массу 21 млрд масс Солнца. Однако, не стоит забывать и о ЧД, гипотетически возникающих в результате ядерных реакций при высоких энергиях, вроде тех, что на коллайдерах. Масса таких квантовых черных дыр, иначе говоря «планковских черных дыр» имеет порядок планковской массы, а именно 2·10⁻⁵г.
• Размер черной дыры. Минимальный радиус ЧД можно вычислить из минимальной масса (2.5 – 3 массы Солнца). Если гравитационный радиус Солнца, то есть область, где находился бы горизонт событий, составляет около 2,95 км, то минимальный радиус ЧД 3-х солнечных масс будет около девяти километров. Такие относительно малые размеры не укладываются в голове, когда речь идет о массивных объектах, притягивающих все вокруг. Однако, для квантовых черных дыр радиус равен планковской длине — 10⁻³⁵ м.
• Средняя плотность черной дыры зависит от двух параметров: массы и радиуса. Плотность черной дыры с массой порядка трех масс Солнца составляет около 6 ·10²⁶ кг/м³, тогда как плотность воды 1000 кг/м³. Однако, столь малые черные дыры не были найдены учеными. Большинство обнаруженных ЧД имеют массу более 10⁵ масс Солнца. Существует интересная закономерность, согласно которой чем массивнее черная дыра, тем меньше ее плотность. При этом изменение массы на 11 порядков влечет изменение плотность на 22 порядка. Таким образом черная дыра массой 1 ·10⁹ солнечных масс имеет плотность 18.5 кг/м³, что на единицу меньше плотности золота. А ЧД массой более 10¹⁰ масс Солнца могут иметь среднюю плотность меньше плотности воздуха. Исходя из этих расчетов логично предположить, что образование черной дыры происходит не по причине сжатия вещества, а в результате накопление большого количества материи в некотором объеме. В случае с квантовыми ЧД, их плотность может составлять около 10⁹⁴ кг/м³.
• Температура черной дыры также обратно пропорционально зависит от ее массы. Данная температура непосредственно связана с излучением Хокинга. Спектр этого излучения совпадает со спектром абсолютно черного тела, то есть тела, что поглощает все падающее излучение. Спектр излучения абсолютно черного тела зависит только от его температуры, тогда температуру ЧД можно определить по спектру излучения Хокинга. Как было сказано выше, данное излучение тем мощнее, чем меньше черная дыра. При этом излучение Хокинга остается гипотетическим, так как еще не наблюдалось астрономами. Из этого следует, что если излучение Хокинга существует, то температура наблюдаемых ЧД столь мала, что не позволяет зарегистрировать указанное излучение. Согласно расчетам даже температура дыры с массой порядка массы Солнца – пренебрежительно мала (1 ·10^-7К или -272°C). Температура же квантовых черных дыр может достигать порядка 10¹² К и при их скором испарении (около 1.5 мин.) такие ЧД могут испускать энергию порядка десяти миллионов атомных бомб. Но, к счастью, для создания таких гипотетических объектов потребуется энергия в 10¹⁴ раз больше той, которая достигнута сегодня на Большом адронном коллайдере. Кроме того, подобные явления ни разу не наблюдались астрономами.

Из чего состоит ЧД?

Согласно некоторым предположениям черная дыра может состоять из нейтронов. Если следовать сценарию возникновения ЧД в следствие сжатия звезды до нейтронной звезды с последующим ее сжатием, то, вероятно, основная часть черной дыры состоит из нейтронов, из которых состоит и сама нейтронная звезда. Простыми словами: при коллапсе звезды ее атомы сжимаются таким образом, что электроны соединяются с протонами, тем самым образуя нейтроны. Подобная реакция действительно имеет место в природе, при этом с образованием нейтрона происходит излучение нейтрино. Однако, это лишь предположения.

Что будет если попасть в черную дыру?

Спагеттификация

Падение в астрофизическую черную дыру приводит к растяжению тела. Рассмотрим гипотетического космонавта-смертника, который направился в черную дыру в одном лишь скафандре ногами вперед. Пересекая горизонт событий, космонавт не заметит никаких изменений, несмотря на то, что выбраться обратно у него уже нет возможности. В некоторый момент космонавт достигнет точки (немного позади горизонта событий), в которой начнет происходить деформация его тела. Так как гравитационное поле черной дыры неоднородно и представлено возрастающим по направлению к центру градиентом силы, то ноги космонавта подвергнутся заметно большему гравитационному воздействию, чем, например, голова. Тогда за счет гравитации, вернее – приливных сил, ноги будут «падать» быстрее. Таким образом тело начинает постепенно вытягиваться в длину. Для описания подобного явления астрофизики придумали довольно креативный термин – спагеттификация. Дальнейшее растяжение тела, вероятно, разложит его на атомы, которые, рано или поздно достигнут сингулярности. О том, что будет чувствовать человек в данной ситуации – остается только гадать. Стоит отметить, что эффект растяжения тела обратно пропорционален массе черной дыры. То есть если ЧД с массой трех Солнц мгновенно растянет/разорвет тело, то сверхмассивная черная дыра будет иметь меньшие приливные силы и, есть предположения, что некоторые физические материалы могли бы «стерпеть» подобную деформацию, не потеряв свою структуру.

Как известно, вблизи массивных объектов время течет медленней, а значит время для космонавта-смертника будет течь значительно медленней, чем для землян. В таком случае, возможно, он переживет не только своих друзей, но и саму Землю. Для определения того, насколько замедлится время для космонавта потребуются расчеты, однако из вышесказанного можно предположить, что космонавт будет падать в ЧД очень медленно и, возможно, просто не доживет до того момента, когда его тело начнет деформироваться.

Примечательно, что для наблюдателя снаружи все тела, подлетевшие к горизонту событий, так и останутся у края этого горизонта до тех пор, пока не пропадет их изображение. Причиной подобного явления является гравитационное красное смещение. Несколько упрощая, можно сказать, что свет, падающий на тело космонавта-смертника «застывшего» у горизонта событий будет менять свою частоту в связи с его замедленным временем. Так как время идет медленней, то частота света будет уменьшаться, а длина волны – увеличиваться. В результате этого явления, на выходе, то есть для внешнего наблюдателя, свет постепенно будет смещаться в сторону низкочастотного – красного. Смещение света по спектру будет иметь место, так как космонавт-смертник все более удаляется от наблюдателя, хоть и практически незаметно, и его время течет все медленней. Таким образом свет, отражаемый его телом, вскоре выйдет за пределы видимого спектра (пропадет изображение), и в дальнейшем тело космонавта можно будет уловить лишь в области инфракрасного излучения, позже – в радиочастотном, и в итоге излучение и вовсе будет неуловимо.

Несмотря на написанное выше, предполагается, что в очень больших сверхмассивных черных дырах приливные силы не так сильно изменяются с расстоянием и почти равномерно действуют на падающее тело. В таком случае падающий космический корабль сохранил бы свою структуру. Возникает резонный вопрос – а куда ведет черная дыра? На этот вопрос могут ответить работы некоторых ученых, связывающий два таких явления как кротовые норы и черные дыры.

Еще в 1935-м году Альберт Эйнштейн и Натан Розен с учетом общей теории относительности выдвинули гипотезу о существовании так называемых кротовых нор, соединяющий две точки пространства-времени путем в местах значительного искривления последнего – мост Эйнштейна-Розена или червоточина. Для столь мощного искривления пространства потребуются тела с гигантской массой, с ролью которых отлично справились бы черные дыры.

Мост Эйнштейна-Розена – считается непроходимой кротовой норой, так как имеет небольшие размеры и является нестабильной.

Проходимая кротовая дыра возможно в рамках теории черных и белых дыр. Где белая дыра является выходом информации, попавшей в черную дыру. Белая дыра описывается в рамках ОТО, однако на сегодня остается гипотетической и не была обнаружена. Еще одна модель кротовой норы предложена американскими учеными Кипом Торном и его аспирантом — Майком Моррисом, которая может быть проходимой. Однако, как в случае с червоточиной Морриса — Торна, так и в случае с черными и белыми дырами для возможности путешествия требуется существование так называемой экзотической материи, которая имеет отрицательную энергию и также остается гипотетической.

Черные дыры во Вселенной

Существование черных дыр подтверждено относительно недавно (сентябрь 2015 г. ), однако до того времени существовал уже немалый теоретический материал по природе ЧД, а также множество объектов-кандидатов на роль черной дыры. Прежде всего следует учесть размеры ЧД, так как от них зависит и сама природа явления:

• Черная дыра звездной массы. Такие объекты образуются в результате коллапса звезды. Как уже упоминалось ранее, минимальная масса тела, способного образовать такую черную дыру составляет 2.5 – 3 солнечных масс.
• Черные дыры средней массы. Условный промежуточный тип черных дыр, которые увеличились за счет поглощения близлежащих объектов, вроде скопления газа, соседней звезды (в системах двух звезд) и других космических тел.
• Сверхмассивная черная дыра. Компактные объекты с 10⁵—10¹⁰ масс Солнца. Отличительными свойствами таких ЧД является парадоксально невысокая плотность, а также слабые приливные силы, о которых говорилось ранее. Именно такая сверхмассивная черная дыра в центре нашей галактики Млечного пути (Стрелец А*, Sgr A*), а также большинстве других галактик.

Кандидаты в ЧД

Кандидат в ЧД A0620-00 (V616 Единорога) — двойная звезда в созвездии Единорога на расстоянии 3000 св. лет от Солнца.

Ближайшая черная дыра, а вернее кандидат на роль ЧД – объект A0620-00 (V616 Единорога), который расположен на расстоянии 3000 световых лет от Солнца (в нашей галактике). Он состоит из двух компонент: звезды главной последовательности с массой в половину солнечной массы, а также невидимого тела малых размеров, масса которого составляет 3 – 5 масс Солнца. Если данный объект окажется небольшой черной дырой звездной массы, то по праву стане ближайшей ЧД.

Рентгеновский снимок Лебедь X-1

Следом за этим объектом второй ближайшей черной дырой является объект Лебедь X-1 (Cyg X-1), который был первым кандидатом на роль ЧД. Расстояние до него примерно 6070 световых лет. Достаточно хорошо изучен: имеет массу в 14.8 масс Солнца и радиус горизонта событий около 26 км.

По некоторым источником еще одним ближайшим кандидатом на роль ЧД может быть тело в звездной системе V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), которая по оценкам 1999-го года располагалась на расстоянии 1600 световых лет. Однако, последующие исследования увеличили это расстояние как минимум в 15 раз.

Сколько черных дыр в нашей галактике?

На этот вопрос нет точного ответа, так как наблюдать их довольно непросто, и за все время исследования небосвода ученым удалось обнаружить около десятка черных дыр в пределах Млечного Пути. Не предаваясь расчетам, отметим, что в нашей галактике около 100 – 400 млрд звезд, и примерно каждая тысячная звезда имеет достаточно массы, чтобы образовать черную дыру. Вероятно, что за время существования Млечного Пути могли образоваться миллионы черных дыр. Так как зарегистрировать проще черные дыры огромных размеров, то логично предположить, что скорее всего большинство ЧД нашей галактики не являются сверхмассивными. Примечательно, что исследования НАСА 2005-го года предполагают наличие целого роя черных дыр (10-20 тысяч), вращающихся вокруг центра галактики. Кроме того, в 2016-м году японские астрофизики обнаружили массивный спутник вблизи объекта Стрелец А* — черная дыра, ядро Млечного Пути. В силу небольшого радиуса (0,15 св. лет) этого тела, а также его огромной массы (100 000 масс Солнца) ученые предполагают, что данный объект тоже является сверхмассивной черной дырой.

Ядро нашей галактики, черная дыра Млечного Пути (Sagittarius A*, Sgr A* или Стрелец А*) является сверхмассивной и имеет массу 4,31·10⁶ масс Солнца, а радиус — 0,00071 световых лет (6,25 св. ч. или 6,75 млрд. км). Температура Стрельца А* вместе со скоплением около него составляет около 1·10⁷ K.

Самая большая черная дыра

Квазар S5_0014+81 удален от Солнечной системы на 12 млрд световых лет.

Самая большая черная дыра во Вселенной, которую ученым удалось обнаружить – сверхмассивная черная дыра, FSRQ блазар, в центре галактики S5 0014+81, на расстоянии 1.2·10¹⁰ световых лет от Земли. По предварительным результатам наблюдения, при помощи космической обсерватории Swift, масса ЧД составила 40 миллиардов (40·10⁹) солнечных масс, а радиус Шварцшильда такой дыры – 118,35 миллиард километров (0,013 св. лет). Кроме того, согласно подсчетам, она возникла 12,1 млрд лет назад (спустя 1,6 млрд. лет после Большого взрыва). Если данная гигантская черная дыра не будет поглощать окружающую ее материю, то доживет до эры черных дыр – одна из эпох развития Вселенной, во время которой в ней будут доминировать черные дыры. Если же ядро галактики S5 0014+81 продолжит разрастаться, то оно станет одной из последних черных дыр, которые будут существовать во Вселенной.

Первый зафиксированный гравитационно-волновой сигнал GW150914

Другие две известные черные дыры, хоть и не имеющие собственных названий, имеют наибольшее значение для исследования черных дыр, так как подтвердили их существование экспериментально, а также дали важные результаты для изучения гравитации. Речь о событии GW150914, которым названо столкновение двух черных дыр в одну. Данное событие позволило зарегистрировать гравитационные волны.

Обнаружение черных дыр

Прежде, чем рассматривать методы обнаружения ЧД, следует ответить на вопрос — почему черная дыра черная? – ответ на него не требует глубоких познаний в астрофизике и космологии. Дело в том, что черная дыра поглощает все падающее на нее излучение и совсем не излучает, если не брать во внимание гипотетическое излучение Хокинга. Если рассмотреть данный феномен подробнее, можно предположить, что внутри черных дыр не протекают процессы, приводящие к высвобождению энергии в виде электромагнитного излучения. Тогда если ЧД и излучает, то в спектре Хокинга (который совпадает со спектром нагретого, абсолютно черного тела). Однако, как было сказано ранее, данное излучение не было зарегистрировано, что позволяет предположить о совершенно низкой температуре черных дыр.

Искривление света вблизи черной дыры

Другая же общепринятая теория говорит о том, что электромагнитное излучение и вовсе не способно покинуть горизонт событий. Наиболее вероятно, что фотоны (частицы света) не притягиваются массивными объектами, так как согласно теории – сами не имеют массы. Однако, черная дыра все же «притягивает» фотоны света посредством искажения пространства-времени. Если представить ЧД в космосе в виде некой впадины на гладкой поверхности пространства-времени, то существует некоторое расстояние от центра черный дыры, приблизившись на которое к ней свет уже не сможет отдалиться. То есть грубо говоря, свет начинает «падать» в «яму», которая даже не имеет «дна».

В дополнение к этому, если учесть эффект гравитационного красного смещения, то возможно в черной дыре свет теряет свою частоту, смещаясь по спектру в область низкочастотного длинноволнового излучения, пока вовсе не утратит энергию.

Итак, черная дыра имеет черный цвет и потому ее сложно обнаружить в космосе.

Методы обнаружения

Рассмотрим методы, которые астрономы используют для обнаружения черной дыры:

• ЧД возможно зарегистрировать в том случае, когда она притягивает окружающую ее материю, будь то звездное вещество соседней звезды или газовое облако, через которое движется черная дыра. Компьютерное моделирование показывает падение звезды в черную дыру
  В таком случае видимое вещество начнет стягиваться к массивному объекту, образую вокруг него аккреционный диск. То есть диск быстровращающейся разогретой материи. В некоторых случаях вращающаяся вокруг ЧД материя может плотно перекрывать черную дыру, тем самым визуально образуя огромную светящуюся сферу.

• Анимация вращения звезд вокруг сверамассивной черной дыры Стрелец А

  Метод гравитационного возмущения позволяет определить наличие ЧД по ее гравитационному влиянию на окружающие тела. К примеру, если траектория движения планеты вокруг некоторой звезды не согласуется с теоретическими подсчетами орбиты этой планеты, а имеет некоторое искажение, можно предположить о наличии массивного объекта вблизи планеты, который влияет на ее траекторию. Данный частный случай упрощен, так как подобные ситуации позволяют обнаружить менее массивные объекты, вроде других планет. Черные дыры же могут искажать траекторию огромных облаков газа.

• Возвращаясь к изменению траектории электромагнитного излучения вблизи черной дыры, следует отметить одно из явлений, которое также позволяет обнаружить ЧД – гравитационное линзирование. Свет, проходящий около границ черной дыры, несколько изменяет свою траекторию, создавая таким образом размытую или искаженную картинку, а иногда даже продублированное изображение космических тел. Таким образом, черная дыра, расположенная на фоне какого-либо скопления, вроде галактики или туманности, дает аномальное изображение этого скопления, что привлекает астрономов и дает повод начать поиски ЧД в этой области небосвода.

Помимо упомянутых выше методов, ученые часто связывают такие объекты как черные дыры и квазары. Квазары – некие скопления космических тел и газа, которые являются одними из самых ярких астрономических объектов во Вселенной. Так как они обладают высокой интенсивностью свечения при относительно малых размерах, есть основания предполагать, что центром этих объектов есть сверхмассивная черная дыра, притягивающая к себе окружающую материю. В силу столь мощного гравитационного притяжения притягиваемая материя настолько разогрета, что интенсивно излучает. Обнаружение подобных объектов обычно сопоставляется с обнаружением черной дыры. Иногда квазары могут излучать в две стороны струи разогретой плазмы – релятивистские струи. Причины возникновения таких струй (джет) не до конца ясны, однако вероятно они вызваны взаимодействием магнитных полей ЧД и аккреционного диска, и не излучаются непосредственной черной дырой.

Джет в галактике M87 бьющий из центра ЧД

Подводя итоги вышесказанного, можно представить себе, как выглядит черная дыра в космосе вблизи: это сферический черный объект, вокруг которого вращается сильно разогретая материя, образуя светящийся аккреционный диск.

Слияние и столкновение черных дыр

Материалы по теме

Одним из интереснейших явлений в астрофизике является столкновение черных дыр, которое также позволяет обнаруживать такие массивные астрономические тела. Подобные процессы интересуют не только астрофизиков, так как их следствием становятся плохо изученные физиками явления. Ярчайшим примером является упомянутое ранее событие под названием GW150914, когда две черные дыры приблизились настолько, что в результате взаимного гравитационного притяжения слились в одну. Важным следствием этого столкновение стало возникновение гравитационных волн.

Согласно определению гравитационных волн – это такие изменения гравитационного поля, которые распространяются волнообразным образом от массивных движущихся объектов. Когда два таких объекта сближаются – они начинают вращаться вокруг общего центра тяжести. По мере их сближения, их вращение вокруг собственной оси возрастает. Подобные переменные колебания гравитационного поля в некоторый момент могут образовать одну мощную гравитационную волну, которая способна распространиться в космосе на миллионы световых лет. Так на расстоянии 1,3 млрд световых лет произошло столкновение двух черных дыр, образовавшее мощную гравитационную волну, которая дошла до Земли 14 сентября 2015 года и была зафиксирована детекторами LIGO и VIRGO.

Как умирают черные дыры?

Очевидно, чтобы черная дыра перестала существовать, ей понадобится потерять всю свою массу. Однако, согласно ее определению — ничто не может покинуть пределы черной дыры если перешло ее горизонт событий. Известно, что впервые о возможности излучения черной дырой частиц упомянул советский физик-теоретик Владимир Грибов, в своей дискуссии с другим советским ученым Яковом Зельдовичем. Он утверждал, что с точки зрения квантовой механики черная дыра способна излучать частицы посредством туннельного эффекта. Позже при помощи квантовой механики построил свою, несколько иную теорию английский физик-теоретик Стивен Хокинг. Подробнее о данном явлении Вы можете прочесть здесь. Кратко говоря, в вакууме существуют так называемые виртуальные частицы, которые постоянно попарно рождаются и аннигилируют друг с другом, при этом не взаимодействуя с окружающим миром. Но если подобные пары возникнут на горизонте событий черной дыры, то сильная гравитация гипотетически способна их разделить, при этом одна частица упадет внутрь ЧД, а другая отправится по направлению от черной дыры. И так как улетевшая от дыры частица может быть наблюдаема, а значит обладает положительной энергий, то упавшая в дыру частица должна обладать отрицательной энергий. Таким образом черная дыра будет терять свою энергию и будет иметь место эффект, который называется – испарение черной дыры.

Согласно имеющимся моделям черной дыры, как уже упоминалось ранее, с уменьшением ее массы ее излучение становится все интенсивнее. Тогда на завершающем этапе существования ЧД, когда она, возможно, уменьшится до размеров квантовой черной дыры, она выделит огромное количество энергии в виде излучения, что может быть эквивалентно тысячам или даже миллионам атомных бомб. Данное событие несколько напоминает взрыв черной дыры, словно той же бомбы. Согласно подсчетам, в результате Большого взрыва могли зародиться первичные черные дыры, и те из них, масса которых порядка 10¹² кг, должны были бы испариться и взорваться примерно в наше время. Как бы то ни было, подобные взрывы ни разу не были замечены астрономами.

Несмотря на предложенный Хокингом механизм уничтожения черных дыр, свойства излучения Хокинга вызывают парадокс в рамках квантовой механики. Если черная дыра поглощает некоторое тело, а после теряет массу, возникшую в результате поглощения этого тела, то независимо от природы тела, черная дыра не будет отличаться от той, которой она была до поглощения тела. При этом информация о теле навсегда утеряна. С точки зрения теоретических расчетов преобразование исходного чистого состояния в полученное смешанное («тепловое») не соответствует нынешней теории квантовой механики. Этот парадокс иногда называют исчезновением информации в чёрной дыре. Доподлинное решение данного парадокса так и не было найдено. Известные варианты решения парадокса:

• Не состоятельность теории Хокинга. Это влечет за собой невозможность уничтожения черной дыры и постоянный ее рост.
• Наличие белых дыр. В таком случае поглощаемая информация не пропадает, а просто выбрасывается в другую Вселенную.
• Не состоятельность общепринятой теории квантовой механики.

Нерешенный проблемы физики черных дыр

Судя по всему, что было описано ранее, черные дыры хоть и изучаются относительно долгое время, все же имеют множество особенностей, механизмы которых до сих пор не известен ученым.

• В 1970-м году английский ученый сформулировал т.н. «принцип космической цензуры» — «Природа питает отвращение к голой сингулярности». Это означает, что сингулярность образуется только в скрытых от взора местах, как центр черной дыры. Однако, доказать данный принцип пока не удалось. Также существуют теоретические расчеты, согласно которым «голая» сингулярность может возникать.
• Не доказана и «теорема об отсутствии волос», согласно которой черные дыры имеют всего три параметра.
• Не разработана полная теория магнитосферы черной дыры.
• Не изучена природа и физика гравитационной сингулярности.
• Доподлинно неизвестно, что происходит на завершающем этапе существования черной дыры, и что остается после ее квантового распада.

Интересные факты о черных дырах

Подводя итоги вышесказанного можно выделить несколько интересных и необычных особенностей природы черных дыр:

• ЧД имеют всего три параметра: масса, электрический заряд и момент импульса. В результате такого малого количества характеристик этого тела, теорема утверждающие это, называется «теоремой об отсутствии волос» («no-hair theorem»). Отсюда также возникла фраза «у черной дыры нет волос», которая обозначает, что две ЧД абсолютно идентичны, упомянутые их три параметра одинаковы.
• Плотность ЧД может быть меньше плотности воздуха, а температура близкая к абсолютному нулю. Из этого можно предположить, что образование черной дыры происходит не по причине сжатия вещества, а в результате накопление большого количества материи в некотором объеме.
• Время для тел, поглощенных ЧД, идет значительно медленней, чем для внешнего наблюдателя. Кроме того, поглощенные тела значительно растягиваются внутри черной дыры, что было названо учеными – спагеттификацией.
• В нашей галактике может быть около миллиона черных дыр.
• Вероятно, в центре каждой галактики располагается сверхмассивная черная дыра.
• В будущем, согласно теоретической модели, Вселенная достигнет так называемой эпохи черных дыр, когда ЧД станут доминирующими телами во Вселенной.

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Просмотров записи: 76312

Запись опубликована: 28.02.2013
Автор: Максим Заболоцкий

Тень черной дыры. Космический шедевр в восьми вопросах и ответах

Астрофизики из международной группы Event Horizon Telescope (ЕНТ, «Телескоп горизонта событий») продемонстрировали первое в истории изображение тени черной дыры. Этот объект – в 6,5 миллиардов раз больше массы Солнца и находится в центре галактики М 87 (другое название – Дева А) в созвездии Девы на расстоянии более 50 миллионов световых лет от Солнечной системы.

Об открытии было объявлено 10 апреля в ходе специальной пресс-конференции, а в деталях результат описан в шести научных статьях, которые опубликованы в специальном выпуске журнала The Astrophysical Journal Letters. Радио Свобода подробно объясняет, в чем состоит важность этого открытия и какие перспективы оно открывает.

Черная дыра – сверхмассивный астрономический объект, гравитационное притяжение которого столь велико, что его не могут преодолеть даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе и фотоны самого света. Возможность существования черных дыр следует из общей теории относительности Альберта Эйнштейна, эти объекты были впервые теоретически описаны более 100 лет назад. С тех пор получено множество косвенных доказательств того, что черные дыры действительно распространены во Вселенной. Одно из них – произведенная экспериментом LIGO в 2015 году фиксация гравитационных волн, вызванных, как считается, слиянием двух черных дыр. Непосредственно наблюдать черные дыры раньше не удавалось, основные причины – они находятся очень далеко и имеют относительно небольшие размеры.

Открытие EHT стало возможным благодаря использованию сразу же восьми синхронно работающих радиотелескопов, объединенных в единую сеть, так называемый радиоинтерферометр. Этот подход позволяет вести наблюдения практически с таким же угловым разрешением, которое дал бы телескоп с размером зеркала, равного максимальному расстоянию между антеннами, составляющими радиоинтерферометр. Такая сеть с крупнейшей базой в мире – российский проект «Радиоастрон», один из телескопов которого находится на орбите. Одной из задач «Радиоастрона» также было получение изображения черных дыр, но она не была выполнена из-за того, что радиоволны в сантиметровом диапазоне, с которым работал «Радиоастрон», сильнее поглощаются, чем волны миллиметрового спектра, которые принимают телескопы EHT.

Изображение тени черной дыры – результат огромного научного значения. “В известном сериале «Теория Большого взрыва» есть герой Раджех Кутраппали, – говорит астрофизик, член-корреспондент РАН, руководитель научной программы проекта “Радиоастрон” Юрий Ковалев. – У него в офисе есть доска, а на ней висят фотографии из реальных научных статей. Раньше настоящим шиком было, если твоя картинка попадала на эту доску – сценаристы внимательно следили за новостями науки. Теперь почетнее всего попасть в дудл – картинку на главной странице Google. Посмотрите сами, сегодня там черная дыра”.

С помощью Юрия Ковалева Радио Свобода разбиралось, что именно видно на картинке с “пончиком”, можно ли считать существование черных дыр окончательно доказанным, почему не показали фотографию центра Млечного Пути и куда астрофизики направят свои телескопы теперь.

1. Что именно видно на изображении, распространенном исследователями из EHT?

Коротко: Это так называемая тень черной дыры – кольцевая структура, состоящая из вещества, падающего на черную дыру, разогретого и поэтому светящегося. Темное пятно в середине – зона ниже последней устойчивой орбиты, с которой фотоны еще могут вырваться в нашу сторону. При этом сам предел горизонта событий несколько меньше.

Юрий Ковалев: По всей видимости, на картинке тень черной дыры, честно говоря, сомнений в этом почти нет. До нас не могут дойти фотоны из-под горизонта событий. Но газ, который падает, или, как говорят, аккрецирует на сверхмассивную черную дыру, в процессе разогревается, причем чем ближе к горизонту событий, тем свечение должно быть более ярким. Поэтому мы видим фотоны, которые пришли к нам с одной из последних орбит перед горизонтом событий. Фотоны, которым “повезло” не упасть под горизонт, не улететь в сторону от нас, а выжить, пролетев через облака в центре галактики Дева А, через межгалактическую среду, межзвездную среду, через атмосферу Земли, и попасть в телескоп.

Черная дыра, окруженная аккреционным диском падающего на нее вещества. Реконструкция

Кстати, это не просто телескоп, а РСДБ, радиоинтерферометр со сверхдлинной базой, в сущности, сеть синхронно работающих радиотелескопов, которые одновременно наблюдают один и тот же объект, а затем полученные данные собираются вместе и особым образом обрабатываются – коррелируются. Это позволяет увеличить угловое разрешение – способность системы различать на небе очень маленькие объекты. А обсуждаемые черные дыры – относительно маленькие объекты, их угловой размер составляет в лучшем случае пару десятков микросекунд дуги. Разрешение EHT – как раз около 20 микросекунд.

2.

Можно ли сказать, что теперь существование черных дыр окончательно доказано?

Коротко: Получено самое прямое из косвенных доказательств: тень черной дыры выглядит ровно так, как предсказывает теория. Но вопрос нельзя считать закрытым – вполне могут появиться альтернативные объяснения, как такая картинка могла получиться и без черной дыры. Для науки это совершенно нормальная ситуация.

Юрий Ковалев: То, что мы увидели, является наиболее прямым из косвенных доказательств существования черных дыр. Это самая правильная формулировка. Знаете, как говорят, – если нечто выглядит как утка, крякает как утка, плавает как утка, то это утка. Вот здесь примерно то же самое. Физики-теоретики в течение многих лет занимались моделированием того, как должна выглядеть тень от черной дыры. И то, что получилось, пока хорошо соответствует этой модели – в рамках точности измерений, которую коллеги получили на сегодняшний день. То есть полученная картинка выглядит похоже на то, как, согласно теоретическим расчетам, сделанным на основе общей теории относительности, должен выглядеть ореол сверхмассивной черной дыры в центре такой активной галактики, как Дева А. Но можно ли назвать это окончательным доказательством существования черных дыр? Можно ли его вообще получить? Понимаете, наука – это постоянные сомнения, постоянный поиск. Как только в чем-нибудь никто не будет сомневаться, наука закончится.

Это наиболее прямое из косвенных доказательств существования черных дыр

Я думаю, что доказать, что только черная дыра и больше ничто не может дать такой вот кружочек, как на картинке, достаточно непросто. Вполне возможно, будут появляться статьи с какими-то альтернативными объяснениями, и это хорошо, таким образом наука движется вперед.

Мне приходит в голову такая аналогия: несколько лет назад, в 2015 году, были впервые продетектированы гравитационные волны – это сделал интерферометр LIGO. Исследователи получили за это Нобелевскую премию по физике в 2017 году. Но не все помнят, что за открытие гравитационных волн уже давали Нобелевскую премию. В 1993 году ее получили Рассел Халс и Джозеф Тэйлор. Они исследовали двойную систему, в которой одна из звезд была пульсаром, и с высочайшей точностью смогли измерить параметры орбиты этой системы. Удалось аккуратно посчитать, как эта система теряет энергию, и оказалось, что часть энергетических потерь можно объяснить только потерей энергии на гравитационное излучение. То есть впрямую гравитационные волны тогда никто не продетектировал. Это было пусть и косвенное указание на гравитационное излучение, но настолько убедительное, что к моменту открытия LIGO никто уже не сомневался, что двойные системы излучают гравитационные волны. И тем не менее результат LIGO очень важен: он стал фундаментом, ступенькой к дальнейшим открытиям. Началом гравитационной астрономии. Буквально на этой неделе было снова продетектировано интересное гравитационное событие.

Гравитационные волны, вызванные слиянием двух черных дыр, были продетектированы в 2015 году

То же самое и с открытием EHT. С одной стороны, это самое прямое из косвенных доказательств существования черных дыр. Но это еще и ступенька, с которой мы можем прыгать дальше – уже изучая более глубоко как свойства черных дыр, так и, на их основе, проверяя общую теорию относительности Эйнштейна, то, как она работает в сильном гравитационном поле черных дыр.

3. Группа EHT наблюдала два объекта – черную дыру в центре галактики M 87 (Дева А) и центр нашей галактики Млечный Путь – Стрелец А. Почему выбрали именно эти объекты?

Коротко: Для того чтобы наблюдать тень черной дыры, она должна быть либо достаточно близкой, либо достаточно массивной. Стрелец А – ближайшая к нам черная дыра, центр Девы А в 2 тысячи раз дальше, но и во много раз больше. Другие подходящие черные дыры для наблюдения EHT просто пока не известны.

Юрий Ковалев: Мы с достаточно хорошей точностью можем оценить массы центральных сверхмассивных черных дыр в центрах галактик, особенно в центре нашей галактики. Массу объекта Стрелец А мы знаем с потрясающей точностью благодаря закону Кеплера: можно отследить орбиту движения звезд вокруг центра нашей галактики и по результатам измерений параметров этой орбиты измерить массу центрального тела. Она составляет примерно 4 миллиона масс Солнца.

Остальные сверхмассивные черные дыры либо слишком далеко, либо слишком маленькие

Зная массу, мы из достаточно простых формул можем вычислить размер горизонта событий. А если мы еще знаем и расстояние до черной дыры, то можно вычислить, какой угловой размер будет у ее тени. Для центра нашей галактики он оказывается достаточно большим, для того чтобы его смог увидеть и разрешить наземный интерферометр, работающий на длине волны 1,3 миллиметра. Массу центра галактики Девы А мы тоже можем оценить, в частности, по измерениям параметров облаков, которые вокруг него обращаются. Оценка не такая точная, как со Стрельцом А, но по астрономическим меркам неплохая. Так вот, у центра Девы А оказалась достаточно большая масса, на уровне 6 миллиардов масс Солнца, и при этом галактика Дева А находится достаточно близко к нам, чтобы угловой размер горизонта событий, а соответственно, и тени черной дыры был достаточно большой и его смог разглядеть Телескоп горизонта событий, EHT. Угловые размеры у близкого к нам, но маленького Стрельца А и далекого, но большого центра M87 оказались примерно одинаковыми и достаточно большими, чтобы их можно было наблюдать. Остальные сверхмассивные черные дыры находятся либо слишком далеко, либо они слишком маленькие.

4. Ожидалось, что исследователи покажут изображения теней обеих черных дыр, но показали только M87. Почему не получилось сфотографировать Стрелец А?

Коротко: Объект в центре нашей галактики сложно наблюдать по двум причинам. Во-первых, он постоянно “вертится”, его изображение меняется раз в несколько часов, а у EHT слишком большая “выдержка”, для снимка нужно наблюдать около 12 часов. Во-вторых, Стрелец А скрыт от нас, как экраном, рассеивающим электромагнитные волны облаком.

Юрий Ковалев: Стрелец А, центр нашей галактики Млечный Путь, является более сложным для наблюдений. Есть две причины. Первую хорошо сформулировал вчера на пресс-конференции Хайно Фальке: представьте, что вы родитель, который пытается сфотографировать свое очень живое чадо, которое постоянно крутится и вертится. Разумеется, у вас все фотографии получаются смазанными. Так вот, центр нашей галактики намного тяжелее не сфотографировать, а, выражаясь правильно, восстановить его изображение. Это связано именно с тем, что он очень сильно и быстро меняется. В центре Млечного Пути происходят взрывные, вспышечные процессы, которые имеют характерное время переменности на уровне часа, нескольких часов. А телескоп EHT устроен так, что для получения хорошей картинки используется вращение Земли, поэтому наблюдать нужно подряд 10–12 часов. За это время центр галактики может сильно измениться, он как живой. Вторая проблема – это открытый нашим проектом «Радиоастрон» новый эффект рассеивания, так называемая субструктура рассеивания. Центр галактики скрыт от нас плотным облаком межзвездного газа. Конечно, наблюдение на коротких волнах, 1,3 миллиметра, которые использует EHT, намного меньше подвержено эффекту рассеяния, чем более длинные волны, но все-таки я предположу, что остаточные эффекты должны в данных присутствовать.

Предположительные орбиты трех звезд, вращающихся вокруг центра галактики Млечный Путь

Кстати, уже сейчас обсуждается, как бороться с первой проблемой. Основное направление – нужно реализовать наблюдение центра нашей галактики так, чтобы строить изображение за более короткое время, например, раз в час. Можно сказать, нужно сделать фотоаппарат с более короткой выдержкой, но такой, чтобы ее хватило для получения снимка. А что касается рассеяния, необходимо продолжать разбираться в физике этого явления, уточнять характеристики рассеивающего экрана и учитывать их при восстановлении истинного изображения центра нашей галактики. И мы этим занимаемся.

5. Получены ли какие-то интересные результаты, кроме фотографии тени черной дыры?

Коротко: Получение изображения тени черной дыры в галактике M87 – основной результат научной группы, но есть и другие. Удалось уточнить массу черной дыры, получилось проверить, что ее аккреционный диск (диск, из которого материя втягивается в черную дыру – как раз это мы и видим на картинке в виде светящегося кольца) расположен почти плашмя по отношению к нам, благодаря чему тень оказалась почти круглой и хорошо различима. А вот оценить параметры вращения черной дыры, которые очень интересны ученым, пока не удалось.

Юрий Ковалев: Я пока не успел внимательно прочитать все шесть опубликованных работ с результатами, а две из них как раз посвящены сопутствующим теоретическим оценкам и выводам. Но если основываться на том, что было рассказано на пресс-конференции, то, во-первых, удалось независимо оценить массу черной дыры в M87. Раньше были доступны оценки, сделанные по разным косвенным методам в рамках определенных предположений. Теперь научная группа по размеру тени смогла более точно оценить массу сверхмассивной черной дыры – она оказалась равной примерно 6,5 миллиардам масс Солнца. А вот что не получилось, так это измерить спин, то есть характеристики вращения черной дыры. Она почти наверняка вращается (является так называемой керровской черной дырой), но для оценки параметров этого вращения полученных данных не хватило.

Так, вероятно, выглядят сверхмассивная черная дыра, аккреционный диск и вырывающиеся из него потоки плазмы – джеты

Если посмотреть на картинку тени черной дыры, то, что светится, – это результат падения материи, то есть каких-то облаков пыли и газа из так называемого аккреционного диска на черную дыру – вещество падает, в процессе разогревается и светится. Ученые раньше оценивали угол наблюдения джета – то есть угол между направлением, под которым из этой центральной машины вырывается струя релятивистской плазмы (она вылетает перпендикулярно плоскости аккреционного диска), и направлением от нас к Деве А. У меня есть статья по данному вопросу. Так вот получалось, что он составляет примерно 20 градусов, то есть струя (на картинке ее не видно) бьет не совсем нам в глаз, а под небольшим углом. Теперь мы увидели почти сферическую форму тени, и это говорит о том, что оценки были верны – диск расположен почти плашмя по отношению к наблюдателю. Собственно, расположение диска плашмя было одной из причин, по которым именно эта черная дыра была выбрана в качестве объекта наблюдения. Теперь ясно, что ученые были правы в своих оценках.

Кстати, со Стрельцом А ситуация более сложная: никакого выделенного аккреционного диска там нет.

6. У «Радиоастрона» угловое разрешение даже выше, чем у EHT, почему он не сфотографировал тень черной дыры?

Коротко: «Радиоастрон» еще 6 лет назад первым провел подробные наблюдения галактики M87 с экстремальным угловым разрешением. Перед запуском были надежды, что удастся увидеть и тень черной дыры. Но не повезло: излучение на реализованных в проекте длинах волн (самая короткая – 1,3 см, в десять раз длиннее, чем у EHT) слишком сильно поглощается в окрестностях центра галактика Дева А. Для наблюдения теней черных дыр нужны миллиметровые волны – такие, с которыми работает EHT и будет работать перспективный российский космический телескоп “Миллиметрон”.

Россия недостаточно вкладывается в большие инфраструктурные проекты в астрономии на Земле

​Юрий Ковалев: Еще до запуска «Радиоастрона» в космос мы обсуждали задачу поиска тени черной дыры как одну из ключевых задач проекта. Уже тогда было понятно, что для этого нам должно повезти – и нам, к сожалению, не повезло. Первые высокочувствительные наблюдения центра галактики Дева А были организованны на «Радиоастроне» 2 февраля 2013 года. Они велись на самой короткой из доступных для нас длин волн – 1,3 сантиметра, а на Земле их поддерживали, в частности, крупнейшие, самые чувствительные наземные радиотелескопы, работающие на этой волне, – американский 100-метровый GBT и американская решетка VLA, которая эквивалентна 130-метровому зеркалу. Была хорошая погода, и все телескопы не имели технических проблем, так что мы провели идеальные измерения, но сигнал от центра Девы А зарегистрировать не удалось.

Космический телескоп «Спектр-Р», работающий в составе проекта «Радиоастрон». В начале 2019 года с ним была потеряна связь

Не повезло с физическими условиями. Радиоволны при распространении в космосе сталкиваются с эффектами поглощения и рассеяния. Если смотреть в сторону центра нашей галактики, там есть обе проблемы. А вот по направлению к M87 плотных рассеивающих облаков межзвездной среды нет. Зато поглощение радиоволн в центре Девы А оказалось нашим врагом. Формально угловое разрешение «Радиоастрона» достаточно, чтобы увидеть тень черной дыры, но фотоны, выходящие из центра галактики, поглощаются, проходя через облака тепловой и релятивистской плазмы. Заранее это проверить было невозможно, мы попробовали – не получилось. В итоге были получены интереснейшие результаты про джет Девы А, но для изображения тени черной дыры длины волны 1,3 сантиметра оказалось недостаточно. И эффект поглощения, и эффект рассеяния тем слабее, чем короче длина волны наблюдения. Понятно, что если бороться именно за наблюдения теней черных дыр, нужно сокращать длину волны, но когда готовился «Радиоастрон», наблюдения в миллиметровом спектре были слишком сложной технической задачей. Для этого был с самого начала запланирован следующий проект – «Миллиметрон».

7. Почему российские радиотелескопы не участвовали в наблюдениях EHT в составе общего интерферометра?

Коротко: В России просто нет подходящих радиотелескопов.

Юрий Ковалев: В России нет радиотелескопов, которые способны работать на длине волны 1,3 мм. Первая причина – Россия недостаточно вкладывается в большие инфраструктурные проекты в астрономии на Земле. Вторая причина – географическая. У нас проблема с местами, где имело бы смысл ставить коротковолновые телескопы. Астроклимат подкачал.

8. Что будет дальше?

Коротко: Ученые хотели бы использовать наблюдения теней черных дыр для проверки общей теории относительности. Но для этого принципиально важно точно знать массу черной дыры. Достаточно хорошо мы знаем только массу центра нашей галактики, но изучать этот объект сложно. Вероятно, это придется делать с помощью новых космических телескопов, одним из которых станет «Миллиметрон», который, кстати, будет иметь достаточно хорошие характеристики, чтобы фотографировать черные дыры в других галактиках, в том числе более далеких, чем M87.

Возможно, мы получим много новых фотографий черных дыр

​Юрий Ковалев: Открытие тени черной дыры заложило фундамент для решения важнейших задач современной астрофизики. Вот о чем мы мечтаем: измерять спины, то есть параметры вращения чёрных дыр и использовать данные их наблюдений для проверки ОТО в сильном гравитационном поле. Достаточно точно для решения таких задач мы знаем массу только одного объекта – центра нашей галактики, поэтому именно его и нужно изучать для проверки ОТО. Как я уже объяснял выше, с этим связано много проблем, нам еще только предстоит научиться получать изображение тени черной дыры в Стрельце А, изучать то, что происходит в окрестностях центра Млечного Пути. Скорее всего – и об этом было сказано на вчерашней пресс-конференции – для этого придется развивать наземно-космическую интерферометрию, то есть запускать новые космические телескопы. Это, вероятно, будут спутники, летающие на не очень большой орбите с коротким периодом обращения. Это позволит синтезировать огромный интерферометр за короткое время. Грубо говоря, добиться короткой выдержки нашего гигантского фотоаппарата. Как все это будет происходить, мы сейчас только начинаем обсуждать. Положительный опыт «Радиоастрона» окажется очень полезен.

Самая далекая из известных сверхмассивных черных дыр была обнаружена в 2017 году

У «Миллиметрона» планируются подходящие для этой задачи длины волны и огромное угловое разрешение. Может быть, он станет частью большой общей системы из наземных и космических радиотелескопов. В то же время по своему угловому разрешению «Миллиметрон» будет способен строить изображения теней черных дыр не только для Девы А, но и для более далеких галактик. Возможно, мы получим много новых фотографий черных дыр.

Черные дыры — небесные объекты на море и в небе

Дыра в космосе

Черные дыры — возможно, самые странные и загадочные объекты во Вселенной. Их причудливые свойства могут бросить вызов законам физики и даже самой природе реальности. Чтобы понять черные дыры, мы должны научиться мыслить «нестандартно» и использовать немного воображения. Черные дыры формируются из ядер сверхмассивных звезд, и их лучше всего можно описать как области пространства, где сосредоточено столько массы, что ничто, даже свет, не может избежать гравитационного притяжения. Это область, где скорость убегания больше скорости света. Чем массивнее объект, тем быстрее вы должны двигаться, чтобы избежать его гравитации. Это известно как скорость убегания. Черные дыры настолько массивны, что их скорость убегания превышает скорость света. Поскольку ничто не может двигаться быстрее скорости света, ничто не может избежать гравитации черной дыры. Именно общая теория относительности Эйнштейна дала первый ключ к пониманию черных дыр. Его теория также утверждает, что гравитация влияет на время. Чем массивнее объект, тем больше он может замедлять время. Гравитация черной дыры настолько велика, что время почти останавливается. Если бы вы были снаружи черной дыры, наблюдая, как космический корабль падает, вы бы увидели, что космический корабль замедляется, пока, наконец, не исчезнет. Распространенный миф о черных дырах заключается в том, что они всасывают все окружающее их вещество. Это неправда. Они будут всасывать материю на определенном расстоянии от себя, но дальше они ведут себя не иначе, как массивная звезда. Если бы наше Солнце могло стать черной дырой, планеты продолжали бы вращаться вокруг него так же, как и сегодня.

Рецепт монстра

Теория относительности Эйнштейна описывает гравитацию как искривление пространства-времени. Чем массивнее объект, тем больше будет это искажение. Черные дыры настолько массивны, что превращают пространство-время в глубокий бездонный колодец, из которого ничто не может выбраться. На самом деле черные дыры образуются из сверхмассивных звезд, масса которых по крайней мере в десять раз превышает массу нашего Солнца. Звезды сжигают водород в процессе, известном как синтез. Этот ядерный процесс создает давление, которое выталкивает из центра звезды. Это давление противодействует силе тяжести, которая тянет внутрь. Эти две силы идеально сбалансированы. Это предотвратит разрушение или разрушение звезды. Когда звезда исчерпывает свой запас водородного топлива, этот баланс нарушается. Эти массивные звезды в конечном итоге закончат свою жизнь взрывом сверхновой. Что произойдет после этого, зависит от массы звезды. Большинство массивных звезд оставляют после себя небольшое ядро, известное как белый карлик. Это ядро ​​обычно окружено расширяющейся газовой оболочкой. В некоторых редких случаях масса звезды настолько велика, что гравитация стягивает материю звезды так туго, что она превращается в крошечный компактный объект, известный как нейтронная звезда. Но в очень редких случаях масса звезды настолько велика, что гравитация буквально сходит с ума. Ничто во Вселенной не может остановить взрыв. Масса звезды коллапсирует сама на себя и продолжается до точки, в которой она занимает одну точку в пространстве. Он буквально исчезает из существования. Но его масса и гравитация остаются. Теперь это черная дыра, один из самых необычных объектов в космосе.

Анатомия черной дыры

Когда сверхмассивная звезда коллапсирует в черную дыру, она становится настолько маленькой, что больше не имеет физического размера. Она бесконечно мала и бесконечно плотна, но при этом содержит такое же количество массы, что и исходная звезда. Это то, что известно как сингулярность , и она определяет центр черной дыры. Это область, где фундаментальные законы физики и сама ткань пространства и времени, кажется, ломаются и перестают существовать. Сингулярность окружена невидимым барьером, называемым 9.0005 горизонт событий . Горизонт событий отмечает внешнюю границу экстремального гравитационного влияния черной дыры. Это точка невозврата. Все, что пересекает горизонт событий, даже свет, обречено. Горизонт событий — это точка, в которой скорость убегания равна скорости света. Скорость убегания внутри черной дыры больше скорости света. Поскольку ничто не может двигаться быстрее скорости света, ничто не может покинуть пределы горизонта событий. Оказавшись здесь, объект вскоре столкнется с сингулярностью. Поскольку гравитационное притяжение увеличивается с такой высокой скоростью, оно будет больше на той части объекта, которая находится ближе всего к сингулярности. Эти приливные силы заставят объект растянуться в длинную тонкую нить, когда он войдет в сингулярность и перестанет существовать в известной вселенной. Расстояние между сингулярностью и горизонтом событий известно как радиус Шварцшильда. Чем массивнее черная дыра, тем больше будет ее радиус Шварцшильда. Если бы Солнце было черной дырой, его радиус Шварцшильда был бы равен 3 километрам. Типичная черная дыра с массой в 10 раз больше массы Солнца имела бы радиус Шварцшильда 30 километров.

Преследуя невидимое

Поскольку свет не может вырваться из огромных зверей, их нельзя увидеть. Чтобы найти их, мы должны полагаться на косвенные доказательства их существования. Один из способов поиска черной дыры состоит в том, чтобы искать области пространства, которые демонстрируют большое количество массы в маленьком темном пространстве. В поисках этих типов объектов астрономы нашли их в двух основных областях: в центрах галактик и в двойных звездных системах в нашей собственной галактике. На самом деле, большинство астрономов сейчас считают, что в центре нашей собственной галактики Млечный Путь может существовать сверхмассивная черная дыра. Означает ли это, что в конечном итоге он поглотит всю материю в галактике? Вообще-то, нет. Черная дыра имеет ту же массу, что и исходная звезда, из которой она образовалась. Пока ничего не приближается слишком близко к горизонту событий, это безопасно. Вполне вероятно, что миллиарды звезд нашей галактики будут продолжать вращаться вокруг этой гигантской черной дыры еще миллиарды лет. Доказательства существования этой и других черных дыр могут быть подтверждены поиском рентгеновских лучей. Астрономы считают, что черные дыры испускают большое количество рентгеновских лучей. Многие звезды нашей галактики существуют как двойные звездные системы. Иногда одна из двух звезд в двойной системе становится черной дырой. Когда это произойдет, черная дыра может начать высасывать вещество из другой звезды. Это вещество закручивается вокруг черной дыры в виде диска ускорения, двигаясь все быстрее и быстрее по мере приближения к центру. Считается, что эта материя испускает излучение в виде рентгеновских лучей, когда входит в черную дыру и уничтожается. Двойные звездные системы, испускающие большое количество рентгеновских лучей, являются хорошими кандидатами в черные дыры. Как только такая система будет идентифицирована, астрономы попытаются определить массу компаньона звезды. Измерив орбитальную скорость видимой звезды, они могут вычислить массу ее невидимого компаньона. Если масса объекта-компаньона достаточно велика, то это вполне может быть черная дыра. Одним из наиболее вероятных кандидатов на роль черной дыры сегодня является Лебедь X-1. Это интенсивный рентгеновский радиоисточник, расположенный в созвездии Лебедя.

Черные дыры: все, что вам нужно знать

Черные дыры — одни из самых удивительных объектов в космосе.
(Изображение предоставлено: solarseven через Getty Images)

Черные дыры — одни из самых странных и увлекательных объектов в космосе. Они чрезвычайно плотные, с таким сильным гравитационным притяжением, что даже свет не может ускользнуть от их хватки.

Млечный Путь может содержать более 100 миллионов черных дыр, хотя обнаружить этих прожорливых зверей очень сложно. В центре Млечного Пути находится сверхмассивная черная дыра — Стрелец А*. Колоссальное сооружение примерно в 4 миллиона раз больше массы Солнца и расположено примерно в 26 000 световых года на расстоянии от Земли , согласно заявлению НАСА (открывается в новой вкладке).

Первое изображение черной дыры было получено в 2019 году коллаборацией Event Horizon Telescope (EHT). Поразительное фото черной дыры в центре галактики M87 в 55 миллионах световых лет от Земли взволновало ученых всего мира.

Связанный: Белые дыры: что мы знаем о забытых близнецах черных дыр

Открытие черной дыры

Альберт Эйнштейн впервые предсказал существование черных дыр в 1916 году в своей общей теории относительности. Термин «черная дыра» был придуман много лет спустя, в 1967 году, американским астрономом Джоном Уилером. После десятилетий черные дыры были известны только как теоретические объекты.

Первой обнаруженной черной дырой была Лебедь X-1, расположенная в Млечном Пути в созвездии Лебедя. По данным НАСА, астрономы увидели первые признаки черной дыры в 1964 году, когда зондирующая ракета обнаружила небесные источники рентгеновского излучения . В 1971 астрономы определили, что рентгеновские лучи исходят от ярко-голубой звезды, вращающейся вокруг странного темного объекта. Было высказано предположение, что обнаруженные рентгеновские лучи были результатом того, что звездный материал отрывался от яркой звезды и «поглощался» темным объектом — всепоглощающей черной дырой.

Сколько существует черных дыр?

В центре Млечного Пути находится сверхмассивная черная дыра Стрелец A* (Sgr A*). (Изображение предоставлено: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI)

По данным Научного института космического телескопа (STScI), примерно одна из каждой тысячи звезд достаточно массивна, чтобы стать черной дырой. Поскольку Млечный Путь содержит более 100 миллиардов характеристик, в нашей родной галактике должно быть около 100 миллионов черных дыр.

Хотя обнаружение черных дыр — сложная задача, по оценкам НАСА , в Млечном Пути может быть от 10 миллионов до миллиарда звездных черных дыр.

Ближайшая к Земле черная дыра называется «Единорог» и находится примерно в 1500 световых годах от нас. Прозвище имеет двойное значение. Мало того, что кандидат в черные дыры находится в созвездии Единорога («единорог»), его невероятно малая масса — примерно в три раза больше массы Солнца — делает его почти единственным в своем роде.

Связанный: Сколько черных дыр во Вселенной?

Изображения черной дыры

Телескоп горизонта событий, массив планетарного масштаба из восьми наземных радиотелескопов, созданный в результате международного сотрудничества, сделал это изображение сверхмассивной черной дыры в центре галактики M87 и ее тени. (Изображение предоставлено коллаборацией EHT)

В 2019 году коллаборация Event Horizon Telescope (EHT) опубликовала первое в истории изображение черной дыры. EHT увидел черную дыру в центре галактики M87, в то время как телескоп изучал горизонт событий или область, за которую ничто не может уйти от черной дыры. Изображение отображает внезапную потерю фотонов (частиц света). Это также открывает совершенно новую область исследований черных дыр, теперь, когда астрономы знают, как выглядит черная дыра.

В 2021 году астрономы показали новый вид гигантской черной дыры в центре M87, показывающий, как выглядит колоссальная структура в поляризованном свете. Поскольку поляризованные световые волны имеют другую ориентацию и яркость по сравнению с неполяризованным светом, новое изображение показывает черную дыру еще более подробно. Поляризация — это признак магнитных полей, и изображение ясно показывает, что кольцо черной дыры намагничено.

После публикации первого изображения черной дыры в 2019 году, астрономы получили новый поляризованный вид черной дыры. (Изображение предоставлено EHT Collaboration)

(открывается в новой вкладке)

Как выглядят черные дыры?

Черные дыры имеют три «слоя»: внешний и внутренний горизонт событий и сингулярность.

Горизонт событий черной дыры — это граница вокруг устья черной дыры, за которую свет не может выйти. Как только частица пересекает горизонт событий, она не может покинуть его. Гравитация постоянна на горизонте событий.

Внутренняя область черной дыры, где находится масса объекта, известна как ее сингулярность, единственная точка в пространстве-времени, где сосредоточена масса черной дыры.

Ученые не могут видеть черные дыры так же, как звезды и другие объекты в космосе. Вместо этого астрономы должны полагаться на обнаружение радиации, испускаемой черными дырами, когда пыль и газ втягиваются в плотные существа. Но сверхмассивные черные дыры, лежащие в центре галактики, могут быть окутаны густым слоем пыли и газа вокруг них, что может блокировать контрольные выбросы.

Истории по теме:

Иногда, когда материя притягивается к черной дыре, она рикошетом отлетает от горизонта событий и выбрасывается наружу, а не затягивается в пасть. Создаются яркие струи вещества, движущиеся с почти релятивистскими скоростями. Хотя черная дыра остается невидимой, эти мощные струи можно наблюдать с больших расстояний.

Изображение черной дыры в M87, сделанное EHT (опубликовано в 2019 году), потребовало двух лет исследований даже после того, как изображения были сделаны. Это потому, что сотрудничество телескопов, которое охватывает множество обсерваторий по всему миру, дает поразительное количество данных, которые слишком велики для передачи через Интернет.

Со временем исследователи рассчитывают получить изображения других черных дыр и создать хранилище того, как выглядят эти объекты. Следующей целью, вероятно, будет Стрелец A*, черная дыра в центре нашей собственной галактики Млечный Путь. Стрелец А* интригует, потому что он тише, чем ожидалось, что может быть связано с магнитными полями, подавляющими его активность, сообщается в исследовании 2019 года. Другое исследование того же года показало, что Стрелец А* окружен холодным газовым ореолом, что дает беспрецедентное представление о том, как выглядит среда вокруг черной дыры.

Схема анатомии черной дыры ESO показывает, как выглядит черная дыра, и помечает различные компоненты. (Изображение предоставлено ESO)

Типы черных дыр

На данный момент астрономы определили три типа черных дыр: звездные черные дыры, сверхмассивные черные дыры и промежуточные черные дыры.

Звездные черные дыры — маленькие, но смертоносные 

Когда звезда сгорает до конца своего топлива, объект может разрушиться или упасть сам на себя. Для меньших звезд (тех, которые примерно в три раза Солнца с массой ), новое ядро ​​станет нейтронной звездой или белым карликом. Но когда более крупная звезда коллапсирует, она продолжает сжиматься и создает звездную черную дыру.

Черные дыры, образовавшиеся в результате коллапса отдельных звезд, относительно малы, но невероятно плотны. Один из этих объектов упаковывает массу, более чем в три раза превышающую массу Солнца, в диаметре города. Это приводит к безумной гравитационной силе, притягивающей объекты вокруг объекта. Затем звездные черные дыры поглощают пыль и газ из окружающих их галактик, что заставляет их расти в размерах.

Сверхмассивные черные дыры — рождение гигантов

Маленькие черные дыры населяют Вселенную, но доминируют их родственники, сверхмассивные черные дыры. Эти огромные черные дыры в миллионы или даже миллиарды раз массивнее Солнца, но имеют примерно такой же размер в диаметре. Считается, что такие черные дыры находятся в центре почти каждой галактики, включая Млечный Путь.

Ученые не уверены, как появляются такие большие черные дыры. После того, как эти гиганты сформировались, они собирают массу из пыли и газа вокруг них, материала, которого много в центре галактик, что позволяет им расти до еще более огромных размеров.

Сверхмассивные черные дыры могут быть результатом слияния сотен или тысяч крошечных черных дыр. Большие газовые облака также могут быть ответственны за схлопывание и быстрое накопление массы. Третий вариант — это коллапс звездного скопления, когда группа звезд падает вместе. В-четвертых, сверхмассивные черные дыры могут возникать из больших скоплений темной материи. Это вещество, которое мы можем наблюдать по его гравитационному воздействию на другие объекты; однако мы не знаем, из чего состоит темная материя, потому что она не излучает свет и не может наблюдаться напрямую.

Промежуточные черные дыры 

Когда-то ученые думали, что черные дыры бывают только малых и больших размеров, но исследования показали возможность существования средних или промежуточных черных дыр (ЧДЧД). Такие тела могут образовываться, когда звезды в скоплении сталкиваются в результате цепной реакции. Несколько таких IMBH, сформировавшихся в одном и том же регионе, могут в конечном итоге собраться вместе в центре галактики и создать сверхмассивную черную дыру.

В 2014 году астрономы обнаружили черную дыру промежуточной массы в рукаве спиральная галактика . А в 2021 году астрономы воспользовались древним гамма-всплеском, чтобы обнаружить его.

«Астрономы очень усердно искали эти черные дыры среднего размера», — говорится в заявлении соавтора исследования Тима Робертса из Университета Дарема в Соединенном Королевстве . «Были намеки на то, что они существуют, но IMBH вели себя как давно потерянный родственник, который не заинтересован в том, чтобы его нашли».

Исследование, проведенное в 2018 году, показало, что эти IMBH могут существовать в центре карликовых галактик (или очень маленьких галактик). Наблюдения за 10 такими галактиками (пять из которых ранее были неизвестны науке до этого последнего обзора) выявили рентгеновскую активность, характерную для черных дыр, что свидетельствует о наличии черных дыр с массой от 36 000 до 316 000 солнечных. Информация поступила из Слоановского цифрового обзора неба, который исследует около 1 миллиона галактик и может обнаруживать вид света, который часто наблюдается от черных дыр, собирающих близлежащие обломки.

Двойные черные дыры: двойная проблема  

Художественная иллюстрация сверхмассивной черной дыры с черной дырой-компаньоном, вращающейся вокруг нее. (Изображение предоставлено Caltech-IPAC)

В 2015 году астрономы с помощью Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) обнаружили гравитационные волны от слияния звездных черных дыр.

«У нас есть еще одно подтверждение существования черных дыр звездной массы, которые больше 20 масс Солнца — это объекты, о существовании которых мы не знали до того, как их обнаружил LIGO», — Дэвид Шумейкер, представитель Научного сотрудничества LIGO ( LSC), говорится в заявлении (откроется в новой вкладке). Наблюдения LIGO также дают представление о направлении вращения черной дыры. Когда две черные дыры вращаются вокруг друг друга, они могут вращаться в одном и том же направлении или в противоположном направлении.

Существуют две теории образования бинарных черных дыр. Первая предполагает, что две черные дыры в бинарной системе сформировались примерно в одно и то же время из двух звезд, которые родились вместе и умерли взрывом примерно в одно и то же время. Звезды-компаньоны имели бы такую ​​же ориентацию вращения, как и две оставшиеся черные дыры.

Согласно второй модели, черные дыры в звездном скоплении опускаются к центру скопления и образуют пары. По данным LIGO Scientific Collaboration, эти компаньоны будут иметь случайную ориентацию вращения по сравнению друг с другом. Наблюдения LIGO за черными дырами-компаньонами с различной ориентацией спина дают более убедительные доказательства этой теории формирования.

«Мы начинаем собирать реальную статистику о двойных системах черных дыр», — сказал ученый LIGO Кейта Кавабе из Калифорнийского технологического института, работающий в Хэнфордской обсерватории LIGO. «Это интересно, потому что некоторые модели формирования двойных черных дыр даже сейчас несколько предпочтительнее других, и в будущем мы можем еще больше сузить круг».

Факты о черных дырах

• Теория давно предполагает, что если вы упадете в черную дыру, гравитация растянет вас, как спагетти, хотя ваша смерть наступит до того, как вы достигнете сингулярности. Но исследование 2012 года, опубликованное в журнале Nature , предполагает, что квантовые эффекты заставят горизонт событий действовать подобно стене огня, которая мгновенно сожжет вас до смерти.
• Черные дыры не отстой. Всасывание вызвано втягиванием чего-то в вакуум, чем массивная черная дыра определенно не является. Вместо этого объекты падают в них точно так же, как они падают на все, что обладает гравитацией, например на Землю.
• Первым объектом, считающимся черной дырой, является Лебедь X-1. Лебедь X-1 был предметом дружеского пари 1974 года между Стивеном Хокингом и коллегой-физиком Кипом Торном, причем Хокинг сделал ставку на то, что источником не была черная дыра. В 1990 году Хокинг признал поражение.
• Миниатюрные черные дыры могли образоваться сразу после Большого взрыва. Быстро расширяющееся пространство могло сжать некоторые регионы в крошечные плотные черные дыры, менее массивные, чем Солнце.
• Если звезда проходит слишком близко к черной дыре, звезда может быть разорвана на части (откроется в новой вкладке).
• По оценкам астрономов, в Млечном Пути насчитывается от 10 миллионов до 1 миллиарда звездных черных дыр с массой примерно в три раза больше солнечной.
• Черные дыры остаются потрясающим материалом для научно-фантастических книг и фильмов. Посмотрите фильм «Интерстеллар», в котором Торн в значительной степени полагался на науку. Работа Торна с командой спецэффектов фильма привела к лучшему пониманию учеными того, как могут выглядеть далекие звезды, если их увидеть вблизи быстро вращающейся черной дыры.

Дополнительные ресурсы

Погрузитесь глубже в тайну черных дыр (открывается в новой вкладке) вместе с NASA Science. Посмотрите видео и узнайте больше о черных дырах (откроется в новой вкладке) на сайте NASA Hubble. Узнайте больше о черных дырах (откроется в новой вкладке) вместе с Национальным научным фондом.

Библиография

Сайт Хаббла: Черные дыры: Беспощадное притяжение гравитации, интерактивный (открывается в новой вкладке): Энциклопедия. ГНИЦ Главная. Проверено 6 мая 2022 г.

НАСА. Представьте вселенную! (откроется в новой вкладке) НАСА. Проверено 6 мая 2022 г.

Боэн, Б. ( 2013 г., 29 августа (открывается в новой вкладке)). Сверхмассивная черная дыра Стрелец A*. НАСА. Проверено 6 мая 2022 года .

Чандра НАСА находит интригующего члена генеалогического древа черной дыры. (открывается в новой вкладке) Рентгеновская обсерватория Чандра. (2015, 25 февраля). Проверено 6 мая 2022 г.

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space. com.

Дейзи Добриевич присоединилась к Space.com в феврале 2022 года в качестве справочного автора, ранее работавшего штатным автором в нашем сестринском журнале All About Space. Прежде чем присоединиться к нам, Дейзи прошла редакционную стажировку в журнале BBC Sky at Night Magazine и работала в Национальном космическом центре в Лестере, Великобритания, где ей нравилось знакомить общественность с космической наукой. В 2021 году Дейзи защитила докторскую диссертацию по физиологии растений, а также имеет степень магистра наук об окружающей среде. В настоящее время она проживает в Ноттингеме, Великобритания.0007

Черные дыры: все, что вам нужно знать

Черные дыры — одни из самых удивительных объектов в космосе.
(Изображение предоставлено: solarseven через Getty Images)

Черные дыры — одни из самых странных и увлекательных объектов в космосе. Они чрезвычайно плотные, с таким сильным гравитационным притяжением, что даже свет не может ускользнуть от их хватки.

Млечный Путь может содержать более 100 миллионов черных дыр, хотя обнаружить этих прожорливых зверей очень сложно. В центре Млечного Пути находится сверхмассивная черная дыра — Стрелец А*. Колоссальное сооружение примерно в 4 миллиона раз больше массы Солнца и расположено примерно в 26 000 световых года на расстоянии от Земли , согласно заявлению НАСА (открывается в новой вкладке).

Первое изображение черной дыры было получено в 2019 году коллаборацией Event Horizon Telescope (EHT). Поразительное фото черной дыры в центре галактики M87 в 55 миллионах световых лет от Земли взволновало ученых всего мира.

Связанный: Белые дыры: что мы знаем о забытых близнецах черных дыр

Открытие черной дыры

Альберт Эйнштейн впервые предсказал существование черных дыр в 1916 году в своей общей теории относительности. Термин «черная дыра» был придуман много лет спустя, в 1967 году, американским астрономом Джоном Уилером. После десятилетий черные дыры были известны только как теоретические объекты.

Первой обнаруженной черной дырой была Лебедь X-1, расположенная в Млечном Пути в созвездии Лебедя. По данным НАСА, астрономы увидели первые признаки черной дыры в 1964 году, когда зондирующая ракета обнаружила небесные источники рентгеновского излучения . В 1971 астрономы определили, что рентгеновские лучи исходят от ярко-голубой звезды, вращающейся вокруг странного темного объекта. Было высказано предположение, что обнаруженные рентгеновские лучи были результатом того, что звездный материал отрывался от яркой звезды и «поглощался» темным объектом — всепоглощающей черной дырой.

Сколько существует черных дыр?

В центре Млечного Пути находится сверхмассивная черная дыра Стрелец A* (Sgr A*). (Изображение предоставлено: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI)

По данным Научного института космического телескопа (STScI), примерно одна из каждой тысячи звезд достаточно массивна, чтобы стать черной дырой. Поскольку Млечный Путь содержит более 100 миллиардов характеристик, в нашей родной галактике должно быть около 100 миллионов черных дыр.

Хотя обнаружение черных дыр — сложная задача, по оценкам НАСА , в Млечном Пути может быть от 10 миллионов до миллиарда звездных черных дыр.

Ближайшая к Земле черная дыра называется «Единорог» и находится примерно в 1500 световых годах от нас. Прозвище имеет двойное значение. Мало того, что кандидат в черные дыры находится в созвездии Единорога («единорог»), его невероятно малая масса — примерно в три раза больше массы Солнца — делает его почти единственным в своем роде.

Связанный: Сколько черных дыр во Вселенной?

Изображения черной дыры

Телескоп горизонта событий, массив планетарного масштаба из восьми наземных радиотелескопов, созданный в результате международного сотрудничества, сделал это изображение сверхмассивной черной дыры в центре галактики M87 и ее тени. (Изображение предоставлено коллаборацией EHT)

В 2019 году коллаборация Event Horizon Telescope (EHT) опубликовала первое в истории изображение черной дыры. EHT увидел черную дыру в центре галактики M87, в то время как телескоп изучал горизонт событий или область, за которую ничто не может уйти от черной дыры. Изображение отображает внезапную потерю фотонов (частиц света). Это также открывает совершенно новую область исследований черных дыр, теперь, когда астрономы знают, как выглядит черная дыра.

В 2021 году астрономы показали новый вид гигантской черной дыры в центре M87, показывающий, как выглядит колоссальная структура в поляризованном свете. Поскольку поляризованные световые волны имеют другую ориентацию и яркость по сравнению с неполяризованным светом, новое изображение показывает черную дыру еще более подробно. Поляризация — это признак магнитных полей, и изображение ясно показывает, что кольцо черной дыры намагничено.

После публикации первого изображения черной дыры в 2019 году, астрономы получили новый поляризованный вид черной дыры. (Изображение предоставлено EHT Collaboration)

(открывается в новой вкладке)

Как выглядят черные дыры?

Черные дыры имеют три «слоя»: внешний и внутренний горизонт событий и сингулярность.

Горизонт событий черной дыры — это граница вокруг устья черной дыры, за которую свет не может выйти. Как только частица пересекает горизонт событий, она не может покинуть его. Гравитация постоянна на горизонте событий.

Внутренняя область черной дыры, где находится масса объекта, известна как ее сингулярность, единственная точка в пространстве-времени, где сосредоточена масса черной дыры.

Ученые не могут видеть черные дыры так же, как звезды и другие объекты в космосе. Вместо этого астрономы должны полагаться на обнаружение радиации, испускаемой черными дырами, когда пыль и газ втягиваются в плотные существа. Но сверхмассивные черные дыры, лежащие в центре галактики, могут быть окутаны густым слоем пыли и газа вокруг них, что может блокировать контрольные выбросы.

Истории по теме:

Иногда, когда материя притягивается к черной дыре, она рикошетом отлетает от горизонта событий и выбрасывается наружу, а не затягивается в пасть. Создаются яркие струи вещества, движущиеся с почти релятивистскими скоростями. Хотя черная дыра остается невидимой, эти мощные струи можно наблюдать с больших расстояний.

Изображение черной дыры в M87, сделанное EHT (опубликовано в 2019 году), потребовало двух лет исследований даже после того, как изображения были сделаны. Это потому, что сотрудничество телескопов, которое охватывает множество обсерваторий по всему миру, дает поразительное количество данных, которые слишком велики для передачи через Интернет.

Со временем исследователи рассчитывают получить изображения других черных дыр и создать хранилище того, как выглядят эти объекты. Следующей целью, вероятно, будет Стрелец A*, черная дыра в центре нашей собственной галактики Млечный Путь. Стрелец А* интригует, потому что он тише, чем ожидалось, что может быть связано с магнитными полями, подавляющими его активность, сообщается в исследовании 2019 года. Другое исследование того же года показало, что Стрелец А* окружен холодным газовым ореолом, что дает беспрецедентное представление о том, как выглядит среда вокруг черной дыры.

Схема анатомии черной дыры ESO показывает, как выглядит черная дыра, и помечает различные компоненты. (Изображение предоставлено ESO)

Типы черных дыр

На данный момент астрономы определили три типа черных дыр: звездные черные дыры, сверхмассивные черные дыры и промежуточные черные дыры.

Звездные черные дыры — маленькие, но смертоносные 

Когда звезда сгорает до конца своего топлива, объект может разрушиться или упасть сам на себя. Для меньших звезд (тех, которые примерно в три раза Солнца с массой ), новое ядро ​​станет нейтронной звездой или белым карликом. Но когда более крупная звезда коллапсирует, она продолжает сжиматься и создает звездную черную дыру.

Черные дыры, образовавшиеся в результате коллапса отдельных звезд, относительно малы, но невероятно плотны. Один из этих объектов упаковывает массу, более чем в три раза превышающую массу Солнца, в диаметре города. Это приводит к безумной гравитационной силе, притягивающей объекты вокруг объекта. Затем звездные черные дыры поглощают пыль и газ из окружающих их галактик, что заставляет их расти в размерах.

Сверхмассивные черные дыры — рождение гигантов

Маленькие черные дыры населяют Вселенную, но доминируют их родственники, сверхмассивные черные дыры. Эти огромные черные дыры в миллионы или даже миллиарды раз массивнее Солнца, но имеют примерно такой же размер в диаметре. Считается, что такие черные дыры находятся в центре почти каждой галактики, включая Млечный Путь.

Ученые не уверены, как появляются такие большие черные дыры. После того, как эти гиганты сформировались, они собирают массу из пыли и газа вокруг них, материала, которого много в центре галактик, что позволяет им расти до еще более огромных размеров.

Сверхмассивные черные дыры могут быть результатом слияния сотен или тысяч крошечных черных дыр. Большие газовые облака также могут быть ответственны за схлопывание и быстрое накопление массы. Третий вариант — это коллапс звездного скопления, когда группа звезд падает вместе. В-четвертых, сверхмассивные черные дыры могут возникать из больших скоплений темной материи. Это вещество, которое мы можем наблюдать по его гравитационному воздействию на другие объекты; однако мы не знаем, из чего состоит темная материя, потому что она не излучает свет и не может наблюдаться напрямую.

Промежуточные черные дыры 

Когда-то ученые думали, что черные дыры бывают только малых и больших размеров, но исследования показали возможность существования средних или промежуточных черных дыр (ЧДЧД). Такие тела могут образовываться, когда звезды в скоплении сталкиваются в результате цепной реакции. Несколько таких IMBH, сформировавшихся в одном и том же регионе, могут в конечном итоге собраться вместе в центре галактики и создать сверхмассивную черную дыру.

В 2014 году астрономы обнаружили черную дыру промежуточной массы в рукаве спиральная галактика . А в 2021 году астрономы воспользовались древним гамма-всплеском, чтобы обнаружить его.

«Астрономы очень усердно искали эти черные дыры среднего размера», — говорится в заявлении соавтора исследования Тима Робертса из Университета Дарема в Соединенном Королевстве . «Были намеки на то, что они существуют, но IMBH вели себя как давно потерянный родственник, который не заинтересован в том, чтобы его нашли».

Исследование, проведенное в 2018 году, показало, что эти IMBH могут существовать в центре карликовых галактик (или очень маленьких галактик). Наблюдения за 10 такими галактиками (пять из которых ранее были неизвестны науке до этого последнего обзора) выявили рентгеновскую активность, характерную для черных дыр, что свидетельствует о наличии черных дыр с массой от 36 000 до 316 000 солнечных. Информация поступила из Слоановского цифрового обзора неба, который исследует около 1 миллиона галактик и может обнаруживать вид света, который часто наблюдается от черных дыр, собирающих близлежащие обломки.

Двойные черные дыры: двойная проблема  

Художественная иллюстрация сверхмассивной черной дыры с черной дырой-компаньоном, вращающейся вокруг нее. (Изображение предоставлено Caltech-IPAC)

В 2015 году астрономы с помощью Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) обнаружили гравитационные волны от слияния звездных черных дыр.

«У нас есть еще одно подтверждение существования черных дыр звездной массы, которые больше 20 масс Солнца — это объекты, о существовании которых мы не знали до того, как их обнаружил LIGO», — Дэвид Шумейкер, представитель Научного сотрудничества LIGO ( LSC), говорится в заявлении (откроется в новой вкладке). Наблюдения LIGO также дают представление о направлении вращения черной дыры. Когда две черные дыры вращаются вокруг друг друга, они могут вращаться в одном и том же направлении или в противоположном направлении.

Существуют две теории образования бинарных черных дыр. Первая предполагает, что две черные дыры в бинарной системе сформировались примерно в одно и то же время из двух звезд, которые родились вместе и умерли взрывом примерно в одно и то же время. Звезды-компаньоны имели бы такую ​​же ориентацию вращения, как и две оставшиеся черные дыры.

Согласно второй модели, черные дыры в звездном скоплении опускаются к центру скопления и образуют пары. По данным LIGO Scientific Collaboration, эти компаньоны будут иметь случайную ориентацию вращения по сравнению друг с другом. Наблюдения LIGO за черными дырами-компаньонами с различной ориентацией спина дают более убедительные доказательства этой теории формирования.

«Мы начинаем собирать реальную статистику о двойных системах черных дыр», — сказал ученый LIGO Кейта Кавабе из Калифорнийского технологического института, работающий в Хэнфордской обсерватории LIGO. «Это интересно, потому что некоторые модели формирования двойных черных дыр даже сейчас несколько предпочтительнее других, и в будущем мы можем еще больше сузить круг».

Факты о черных дырах

• Теория давно предполагает, что если вы упадете в черную дыру, гравитация растянет вас, как спагетти, хотя ваша смерть наступит до того, как вы достигнете сингулярности. Но исследование 2012 года, опубликованное в журнале Nature , предполагает, что квантовые эффекты заставят горизонт событий действовать подобно стене огня, которая мгновенно сожжет вас до смерти.
• Черные дыры не отстой. Всасывание вызвано втягиванием чего-то в вакуум, чем массивная черная дыра определенно не является. Вместо этого объекты падают в них точно так же, как они падают на все, что обладает гравитацией, например на Землю.
• Первым объектом, считающимся черной дырой, является Лебедь X-1. Лебедь X-1 был предметом дружеского пари 1974 года между Стивеном Хокингом и коллегой-физиком Кипом Торном, причем Хокинг сделал ставку на то, что источником не была черная дыра. В 1990 году Хокинг признал поражение.
• Миниатюрные черные дыры могли образоваться сразу после Большого взрыва. Быстро расширяющееся пространство могло сжать некоторые регионы в крошечные плотные черные дыры, менее массивные, чем Солнце.
• Если звезда проходит слишком близко к черной дыре, звезда может быть разорвана на части (откроется в новой вкладке).
• По оценкам астрономов, в Млечном Пути насчитывается от 10 миллионов до 1 миллиарда звездных черных дыр с массой примерно в три раза больше солнечной.
• Черные дыры остаются потрясающим материалом для научно-фантастических книг и фильмов. Посмотрите фильм «Интерстеллар», в котором Торн в значительной степени полагался на науку. Работа Торна с командой спецэффектов фильма привела к лучшему пониманию учеными того, как могут выглядеть далекие звезды, если их увидеть вблизи быстро вращающейся черной дыры.

Дополнительные ресурсы

Погрузитесь глубже в тайну черных дыр (открывается в новой вкладке) вместе с NASA Science. Посмотрите видео и узнайте больше о черных дырах (откроется в новой вкладке) на сайте NASA Hubble. Узнайте больше о черных дырах (откроется в новой вкладке) вместе с Национальным научным фондом.

Библиография

Сайт Хаббла: Черные дыры: Беспощадное притяжение гравитации, интерактивный (открывается в новой вкладке): Энциклопедия. ГНИЦ Главная. Проверено 6 мая 2022 г.

НАСА. Представьте вселенную! (откроется в новой вкладке) НАСА. Проверено 6 мая 2022 г.

Боэн, Б. ( 2013 г., 29 августа (открывается в новой вкладке)). Сверхмассивная черная дыра Стрелец A*. НАСА. Проверено 6 мая 2022 года .

Чандра НАСА находит интригующего члена генеалогического древа черной дыры. (открывается в новой вкладке) Рентгеновская обсерватория Чандра. (2015, 25 февраля). Проверено 6 мая 2022 г.

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Дейзи Добриевич присоединилась к Space.com в феврале 2022 года в качестве справочного автора, ранее работавшего штатным автором в нашем сестринском журнале All About Space. Прежде чем присоединиться к нам, Дейзи прошла редакционную стажировку в журнале BBC Sky at Night Magazine и работала в Национальном космическом центре в Лестере, Великобритания, где ей нравилось знакомить общественность с космической наукой. В 2021 году Дейзи защитила докторскую диссертацию по физиологии растений, а также имеет степень магистра наук об окружающей среде.