Черная дыра из чего состоит: «Из чего состоит черная дыра? »

Содержание

«Из чего состоит черная дыра? » — Яндекс Кью

Мир и объекты в нём

О сообществе

Мир и объекты в нём

Вопросы для саморазвития во всех возможных направлениях.

состоят ли чёрные дыры из тёмной материи? / Хабр

Тёмной материи во Вселенной в пять раз больше, чем обычной. Но как это влияет на чёрные дыры?

Одного дня достаточно, чтобы мы выросли, или, наоборот, уменьшились.

— Пауль Клее

Хотите верьте, хотите – нет, но цитата подходит как к чёрным дырам, так и к людям. Иногда чёрная дыра может несказанно прирасти, а иногда – потерять больше массы-энергии, чем приобрела. На этой неделе статья посвящается вопросу Майкла Бута, который затрагивает не только этот аспект чёрных дыр, но и более тёмную их сторону:

Поскольку тёмная материя взаимодействует с барионной только через гравитацию, и поскольку тёмной материи существует в 5 раз больше, чем барионной, 5/6 чёрных дыр должны содержать тёмную материю. Сообщает ли нам эта информация что-либо полезное касательно чёрных дыр?

Отвечая на этот вопрос, нужно рассмотреть много аспектов, так что начнём мы с описания того, что такое чёрная дыра, и с того, что наша планета ею не является.

Если взять такую планету, как Земля, у неё есть огромное количество гравитационной энергии, удерживающее нас на поверхности. Чтобы убежать от гравитационного поля планеты, нам необходимо достичь огромных скоростей порядка 11 200 м/с. Гравитационное поле в фотосфере Солнца гораздо сильнее, там нужно двигаться со скоростью порядка 618 000 м/с, чтобы вырваться из его гравитационного поля. Это большие скорости, но достижимые.

Но если мы разместим достаточно массы в достаточно малом объёме пространства, скорость убегания может превысить 299 792 458 м/с, что равно скорости света в вакууме. А поскольку ничто не может перемещаться быстрее, ничто не сможет вырваться из такого гравитационного поля, даже свет. И мы получим чёрную дыру.

Снаружи нельзя сказать, создана ли изначально чёрная дыра из протонов и электронов, нейтронов, тёмной материи или даже антиматерии. Существует, насколько мы можем судить, всего три характеристики чёрной дыры, которые мы можем определить, наблюдая за ней: масса, электрический заряд и угловой момент, описывающий скорость её вращения. Поэтому, если нам нужно узнать, состоит ли изначально чёрная дыра из обычной, барионной, материи, или она состоит из тёмной материи, нам нужно посмотреть на:

Астрофиизку того, как формируются чёрные дыры;

Научную картину того, как они, единожды образовавшись, приобретают и теряют массу

Начнём с их происхождения.

Когда вы смотрите на молодой звёздный кластер в небе, вы, скорее всего, увидите набор из очень заметных голубых звёзд. Посмотрев поближе, вы бы обнаружили, что хотя эти звёзды самые горячие и яркие, они не являются представителями большинства. На каждого голубого гиганта приходятся сотни обычных звёзд, типа Солнца, или тусклее. Вообще, всего лишь 5% звёзд, которые когда-либо сформировались во Вселенной, больше и ярче нашей звезды!

Но именно самые большие, горячие и яркие звёзды имеют отношение к чёрным дырам, хотя они и самые редкие. Причина их яркости в том, что они сжигают своё ядерное топливо очень быстро. Звезда типа Солнца может жить 12 миллиардов лет до тех пор, пока не истратит всё горючее в ядре, но звезда в 10 раз массивнее проживёт лишь 0,1% от этого срока. Учтите, что самые массивные из известных нам звёзд в сотни раз массивнее Солнца, и представьте, насколько меньше эти гиганты живут.

Конечно, они могут сжечь и синтезированные ими элементы, они могут превратить гелий в углерод, затем углерод в кислород, неон и магний, затем кислород в кремний, а затем кремний в железо – и каждый раз ядро звезды будет сжиматься и разогреваться.

Именно эти процессы сгорания сдерживают звезду и не дают ей коллапсировать из-за гравитации, но железо – это последняя соломинка. После этого последнего шага уже не получить энергию из превращения железа во что-то более тяжёлое, поэтому ядро звезды коллапсирует. Ни атомы, ни ядра не могут сдержать гравитационные силы, и пока внешняя оболочка звезды красиво взрывается и превращается в сверхновую, внутренняя часть коллапсирует в чёрную дыру.

Поэтому сначала, когда они появляются, чёрные дыры на 100% состоят из нормальной, барионной материи, и на 0% из тёмной материи. Тёмная материя взаимодействует только через гравитацию, в отличие от обычной, которая взаимодействует через гравитацию, слабые, электромагнитные и сильные взаимодействия. Всё это – сложный способ объяснить, что когда обычная материя взаимодействует с другой обычной, она может слипаться, комковаться, обмениваться импульсами и собирать ещё материю. Тёмная материя не комкуется ни с обычной материей, ни сама с собой. Поэтому, представляя галактики и кластеры, мы видим спиральные или эллиптические галактики, где обычная материя собрана в относительно небольшом объёме, но они включены в гало тёмной материи, которая простирается, возможно, на тысячи объёмов обычной.

Да, в крупных галактиках и кластерах тёмной материи, возможно, существует в пять раз больше, чем обычной. Но всё это считается только внутри всего огромного гало. В тех регионах космоса, о которых мы говорим, обычная материя преобладает над тёмной. Рассмотрим наш район около Солнца. Если мы нарисуем сферу радиусом в 100 а.е. (а.е. – расстояние от Земли до Солнца) вокруг Солнечной системы, мы включим в неё все планеты, луны, астероиды, почти весь пояс Койпера, но барионная масса (обычной материи) того, что будет внутри сферы, в основном будет принадлежать Солнцу, и составит порядка 2 * 10³⁰ кг. С другой стороны, масса тёмной материи в этой сфере составит 1 * 10¹⁹ кг – примерно 0,0000000005% от массы обычной.

Для сравнения, примерно столько массы сосредоточено в астероиде Джуно, который на картинке внизу идёт под номером «3», и нарисован на фоне Луны для сравнения.

Говорим ли мы об индивидуальных черных дырах, расположенных в тысячах световых лет от центров галактики, или сверхмассивных, получившихся из-за слияния множества чёрных дыр вблизи галактического ядра, все они начали своё существование с содержания примерно 100% обычной и 0% тёмной материи.

Но со временем они поглотили оба вида материи.

Несмотря на распространённое заблуждение, чёрные дыры не засасывают всё внутрь, они просто распространяют гравитационное притяжение. Тёмная материя, в иных условиях пролетевшая бы мимо, будучи затянутой гравитацией внутрь горизонта событий, будет съедена чёрной дырой, которая нарастит свою массу. Но обычная материя, оказавшаяся вблизи чёрной дыры, будет излучать волны, распадётся и потеряет импульс. Также она будет взаимодействовать с аккреционным диском, испытывать трение, терять импульс и увеличивать количество проглатываемой материи. Иначе говоря, даже когда обычная материя просто пролетает мимо, часть её съедается дырой – в случае с тёмной материей такого не происходит.

Если вам нужно вырастить чёрную дыру, проще всего будет посчитать пропорции съеденных ею обычной и тёмной материи, взяв пропорциональную плотность обычной и тёмной материи в этом регионе. Для нашего местоположения плотность обычной материи составляет 1,2 * 10²⁸ кг на кубический световой год, а плотность тёмной материи — 2,5 * 10²⁷ кг на кубический световой год, или 20% от обычной. Неплохо!

Нужно помнить, что мы находимся на периферии Млечного пути, а в центре галактики всё совсем не так.

Там содержится ещё больше тёмной материи, поскольку плотность гало тёмной материи должна увеличиваться по мере продвижения к центру галактики. Однако, увеличиваться она будет не так уж сильно. Тут очень много неопределённостей, но даже самое оптимичтичное увеличиние даст нам множитель в районе 10 000. С пессимистическим, или более изотермическим, множитель будет от 10 до 100. С другой стороны, плотность нормальной материи в галактическом центре в 50 миллионов раз больше, чем тут у нас. И хотя в нашем регионе вклад тёмной материи в чёрную дыру может достигать 16%, в галактическом центре это число может составлять не более, чем 0,004%.

Такая вот жестокая реальность:

чёрные дыры формируются почти полностью из обычной материи, неважно, где это происходит

те, что формируются в регионах с низкой плотностью материи – таких, как наш – будут иметь в составе приличную порцию тёмной материи, но в среднем, её вклад будет гораздо меньше, чем вклад обычной

те, что формируются в регионах с высокой плотностью материи – таких, как центр галактики – сильно вырастут в массе, но 99,996% этой массы будет получено от обычной материи

Так что грустная правда в том, что тёмная материя – слишком малый компонент, участвующий в формировании чёрной дыры, чтобы на что-то влиять, и поэтому ничего особенного о ней мы не узнаем.

Для тех, кто интересуется потерей чёрными дырами массы: это происходит благодаря излучению Хокинга. И хотя оно однозначно происходит, оно идёт так медленно, что на этих временных отрезках им можно пренебречь. Чёрной дыре массой с Солнце потребовалось бы 10⁶⁷ лет для испарения, то есть, она теряет массы меньше одного электрона в год. Крупнейшим сверхмассивным чёрным дырам Вселенной потребовалось бы 10¹⁰⁰ лет для испарения, при этом они потеряют массу, сравнимую с электроном, когда пройдёт столько же времени, сколько прошло с начала существования Вселенной. Поэтому тем, кто надеется увидеть потерю массы, придётся ждать момента, когда Вселенная опустеет из-за тёмной энергии, и чёрные дыры окажутся вышвырнутыми из нашей галактики из-за гравитационных взаимодействий до того, как скорость уменьшения чёрных дыр сравняется со скоростью их роста из-за поглощения материи.

И вот вам ответ на вопрос, сделаны ли чёрные дыры из тёмной материи. Они могут состоять из неё максимум на 0,004%, и это самая оптимистичная оценка для самых массивных из них. Спасибо за отличный вопрос, Майкл, и те из вас, кто хочет задать вопрос для следующей колонке, могут присылать их мне!

Что такое черная дыра?

Серия объяснений

Узнайте больше о прорывах, впервые реализованных в Чикагском университете

По

Луиза Лернер

13 октября 2022 г.

Примечание редактора. Это часть серии под названием «Начался завтрашний день», в которой рассказывается об истории прорывов в Университете Чикаго. Узнайте больше здесь.

Черные дыры — это области в космосе, где огромное количество массы упаковано в крошечный объем. Это создает настолько сильное гравитационное притяжение, что даже свет не может ускользнуть. Они создаются при коллапсе гигантских звезд и, возможно, другими способами, которые до сих пор неизвестны.

Черные дыры восхищают как публику, так и ученых — они раздвигают границы нашего понимания материи, пространства и времени.

Ученые из Чикагского университета и всего мира сделали много открытий о нашей Вселенной с помощью черных дыр, но мы еще многого не знаем об этих необычных космических явлениях.

Перейти к разделу:

Что такое черная дыра?
Как выглядят черные дыры?
Что внутри черной дыры?
Как образуются черные дыры?
Что такое сверхмассивная черная дыра?
Чем питаются черные дыры?
Как были открыты черные дыры?
Что черные дыры говорят нам о Вселенной?
Как была сделана первая фотография черной дыры?
Чего ученые до сих пор не знают о черных дырах?
Бонусные вопросы

Что такое черная дыра?

Черные дыры состоят из материи, упакованной так плотно, что гравитация подавляет все другие силы.

Когда вы берете шар для боулинга, он тяжелый, потому что материя плотно упакована. Если бы вы помещали все больше и больше массы в одно и то же крошечное пространство, в конечном итоге это создало бы настолько сильную гравитацию, что она оказывала бы значительное притяжение на проходящие лучи света.

Черные дыры образуются, когда массивные звезды коллапсируют в конце своей жизни (и, возможно, при других обстоятельствах, о которых мы пока не знаем). Один из первых шагов к открытию черных дыр был сделан профессором Чикагского университета и Нобелевский лауреат Субрахманьян Чандрасекар, когда понял, что массивным звездам придется коллапсировать после того, как у них закончится топливо для термоядерных реакций, благодаря которым они остаются горячими и яркими.

Вселенная полна черных дыр. За последнее десятилетие ученые обнаружили сигналы их столкновений и сделали снимки света от газа, вращающегося вокруг них, — и это помогло нам многое узнать о Вселенной. Например, черные дыры помогли нам проверить общую теорию относительности Эйнштейна, которая описывает, как масса, пространство и время связаны друг с другом. Ученые думают, что могут рассказать нам гораздо больше об этих и других основных законах Вселенной.

И на более личном уровне сверхмассивная черная дыра в центре нашей собственной галактики Млечный Путь, возможно, сыграла роль в том, как появилась Земля!

Как выглядят черные дыры?

Сами по себе черные дыры невидимы — они практически не излучают света, поэтому их нельзя увидеть напрямую. Но мы все равно разработали несколько способов их найти.

Ища вещество, которое падает внутрь. Если вещество падает в черную дыру, оно движется с такой высокой скоростью, что нагревается и очень ярко светится, и мы может обнаружить это. (Именно так телескоп «Горизонт событий» сделал свои знаменитые первые изображения черных дыр.) Ученые надеются использовать этот метод, чтобы узнать намного больше о том, как и чем «питаются» черные дыры.

Видя, как их гравитация притягивает другие вещи. Мы можем найти черные дыры, наблюдая за движением видимых объектов вокруг них. Например, гравитация черной дыры настолько сильна, что ближайшие звезды будут вращаться вокруг них, поэтому мы можем искать звезды, ведущие себя странно вокруг участка «пустого» пространства. Исходя из этого, мы можем точно рассчитать, насколько тяжелой должна быть эта черная дыра. Именно так лауреат Нобелевской премии Андреа Гез и ее команда обнаружили сверхмассивную черную дыру в центре нашей галактики.

Путем обнаружения гравитационной ряби, когда они сталкиваются. Мы также можем обнаруживать черные дыры, обнаруживая рябь в пространстве-времени, возникающую, когда две из них сталкиваются друг с другом. По этому сигналу мы можем сказать, насколько массивны были черные дыры, как далеко они находились и с какой скоростью двигались, когда столкнулись.

Что внутри черной дыры?

Короткий ответ: никто не знает!

«В некотором смысле это один из самых глубоких вопросов в физике», — сказал профессор Чикагского университета Дэниел Хольц. «В физике не так много случаев, когда мы просто не можем предсказать, что произойдет, но это один из них».

Черные дыры состоят из двух частей. Существует горизонт событий , который вы можете представить себе как поверхность, хотя это просто точка, где гравитация становится слишком сильной, чтобы что-либо могло ускользнуть. И затем, в центре, это сингулярность . Это слово мы используем для описания точки, которая бесконечно мала и бесконечно плотна.

Благодаря законам общей теории относительности мы хорошо понимаем, как выглядит горизонт событий. Но по мере приближения к самой сингулярности мы теряем способность даже предсказывать, как она выглядит.

«Очень близко к сингулярности можно ожидать, что квантовые эффекты станут важными. Однако у нас пока нет квантовой теории гравитации (или, по крайней мере, теории, способной достоверно делать такие предсказания), поэтому мы просто не знаем правильного описания сингулярности или даже того, является ли она действительно сингулярностью. », — сказал профессор Чикагского университета Роберт Уолд.

Ученые считают, что черные дыры в конечном итоге взорвутся, но для этого потребуется во много-много раз больше времени, чем нынешний возраст Вселенной. Как это будет выглядеть, когда это произойдет? Это еще одна большая загадка.

«Может быть, там остался маленький самородок, содержащий всю информацию, упавшую в черную дыру, может быть, там есть портал в новую вселенную, может быть, информация просто исчезла навсегда; мы просто не знаем, — сказал Хольц.

(Если все это неудовлетворительно, знайте, что ученые тоже не спят по ночам.)

Как образуются черные дыры?

Ученые знают об одном способе образования черных дыр, но могут быть и другие.

Один из способов создать черную дыру — это коллапс массивной звезды в конце ее жизни. Профессор Субрахманьян Чандрасекар был первым, кто подсчитал, что когда массивная звезда сжигает все свое топливо, она коллапсирует. Сначала эта идея была высмеяна, но другие ученые подсчитали, что звезда будет вечно продолжать падать внутрь к своему центру, создавая тем самым то, что мы назвали черной дырой.

Черные дыры со временем могут стать более массивными, поскольку они «съедают» газ, звезды, планеты и даже другие черные дыры!

Существует еще один тип черных дыр, называемый сверхмассивной черной дырой. Они слишком массивны, чтобы образоваться в результате коллапса одной звезды; до сих пор остается загадкой, как они формируются. Черные дыры могут поедать другие черные дыры, поэтому вполне возможно, что сверхмассивные состоят из множества слившихся вместе маленьких черных дыр. «Или, возможно, эти большие черные дыры были особенно голодны и съели так много всего, что их окружало, что выросли до огромных размеров», — сказал профессор Хольц. Но мы можем видеть, как эти сверхмассивные черные дыры сформировались во Вселенной очень рано — может быть, слишком рано, чтобы они были созданы звездами, ставшими достаточно старыми, чтобы коллапсировать, — так что, возможно, есть какой-то другой способ создать черную дыру, о котором мы не знаем. пока что.

Что такое сверхмассивная черная дыра?

Существует два вида черных дыр: черные дыры размером со звезду и сверхмассивные черные дыры.

Сверхмассивные черные дыры названы так потому, что их масса в миллионы или миллиарды раз превышает массу нашего Солнца.

Насколько мы можем судить, почти в каждой галактике во Вселенной есть одна из этих сверхмассивных черных дыр, сидящая прямо в ее центре, как семя. И они коррелированы: большая галактика имеет большую черную дыру, а меньшая галактика имеет меньшую черную дыру. Все это заставляет ученых думать, что эти сверхмассивные черные дыры как-то связаны с формированием галактик. Но эта взаимосвязь до сих пор остается загадкой, как и то, как образовались сверхмассивные черные дыры.

Наша «соседская» сверхмассивная черная дыра, расположенная в центре нашей собственной галактики Млечный Путь, называется Стрелец А* (произносится как А-звезда). Его диаметр составляет около 15 миллионов миль, а его масса эквивалентна 4 миллионам солнц. Не волнуйся; это слишком далеко, чтобы представлять какую-либо опасность для Земли.

Чем питаются черные дыры?

Вопреки тому, что вы, возможно, видели в фильмах, черные дыры на самом деле не «всасывают» предметы. Например, на самом деле есть звезды, вращающиеся вокруг сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики, и они будут продолжать вращаться, не падая. в, если что-то еще беспокоит их. Объект действительно должен упасть прямо в жерло черной дыры, чтобы его съели. (И рот, который мы называем 9горизонт событий 0013 черной дыры крошечный; если бы вся Земля разрушилась и образовала черную дыру, ее устье было бы меньше дюйма в поперечнике!)

Но движения звезд и галактик иногда означают, что что-то падает в пасть черной дыры. Стрелец A*, черная дыра в центре нашей галактики, питается в основном межзвездным газом и пылью, дрейфующими вокруг. В телескопы мы видели другие черные дыры, пожирающие звезды и даже газ из соседних галактик.

Черные дыры могут быть «грязными едоками». Когда объекты разрываются на части, часть газа и материи может отбрасываться с высокой скоростью. Иногда он настолько мощный, что образует струи и ветры, летящие наружу почти со скоростью света, и это может повлиять на галактику, в которой он находится. Эти джеты могут разнести близлежащие звезды и планеты; или они могут обеспечить именно то количество текучести, которое создаст идеальные условия для создания новых звезд в течение миллионов лет.

Как были открыты черные дыры?

Первое подозрение о черных дырах появилось, когда 19-летний астрофизик Субрахманьян Чандрасекар размышлял над последствиями нескольких недавних открытий, включая специальную теорию относительности Эйнштейна.

Он подсчитал, что все звезды, масса которых превышает массу нашего Солнца более чем в 1,4 раза, в конечном итоге исчерпают запас топлива и разрушатся.

Ученые в то время были потрясены и настроены скептически. Самый известный астрофизик того времени, Артур Эддингтон, публично разоблачил эту идею на собрании, сказав: «Я думаю, что должен существовать закон природы, чтобы предотвратить такое абсурдное поведение звезды!»

Тем не менее, ущерб был нанесен. «После того, как астрофизическое сообщество принялось за расчет, выполненный 19-летним студентом, уплывающим в аспирантуру, небеса уже никогда больше нельзя было рассматривать как идеальное и безмятежное царство», — позже писал физик Фриман Дайсон.

Вскоре ученые выяснили, что другие законы, включая общую теорию относительности Эйнштейна, требуют существования черных дыр.

Идея получила все большее признание. Во второй половине 20-го века выдающиеся ученые-теоретики, включая Стивена Хокинга в Кембридже, Джона Уилера и Джейкоба Бекенштейна в Принстоне, Чандрасекара и Роберта Уолда в Чикагском университете и многих других, исследовали детали математики и физики, лежащие в основе черные дыры.

Тем временем начали накапливаться данные телескопов о том, что во Вселенной есть черные дыры.

В 1960-х годах были обнаружены квазары — далекие объекты, испускающие такое сильное излучение, что не было никакого объяснения, кроме как гигантскими черными дырами, пережевывающими и выплевывающими материю.

На протяжении 1990-х годов ученые, включая Андреа Гез и Райнхарда Гензеля, точно отслеживали движение звезд вокруг центра нашей галактики, доказывая, что они вращаются вокруг чего-то невидимого, но настолько массивного, что это должна быть черная дыра. (За эту работу они получат Нобелевскую премию в 2020 году.)

Затем, в 2015 году, два специальных детектора, известных как Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO), уловили рябь от пары столкнувшихся черных дыр. (Это также получило Нобелевскую премию в 2018 году). С тех пор они обнаружили около 100 таких столкновений.

В 2019 году Телескоп Горизонта Событий, совокупность телескопов по всему миру, работающих согласованно, смог сделать снимок газа, вращающегося вокруг гигантской черной дыры в другой галактике. Вслед за этим в 2022 году они сделали снимок нашей «собственной» черной дыры — той, что находится в центре Млечного Пути. Мы постоянно делаем новые открытия!

Что черные дыры говорят нам о Вселенной?

Черные дыры — это своего рода игровая площадка для физиков. «Они буквально сделаны из пространства и времени», — сказал профессор Хольц. Поскольку они настолько экстремальны, они являются идеальным местом для проверки пределов правил вселенной.

Наблюдение за ними и размышления об их свойствах привели к огромному пониманию природы Вселенной. Например, обнаружение их столкновений позволило нам проверить теории Эйнштейна о том, как связаны масса, пространство и время (а также множество других теорий о Вселенной). Черные дыры, кажется, также играют роль в формировании галактик; вполне вероятно, что наша сверхмассивная черная дыра как-то связана с тем, как мы оказались здесь сегодня.

Некоторые другие вещи, которые мы можем узнать о Вселенной, включают:

Понимание экстремальной физики и того, как растут звезды и планеты . Некоторые сверхмассивные черные дыры чрезвычайно активны, они поглощают звезды среди вращающихся магнитных полей и выбрасывают струи перегретого газа и материала; эти системы известны как квазары. Наблюдение за этим процессом может рассказать нам о физике этих экстремальных условий. Он также может рассказать нам об условиях, при которых звезды, планеты и галактики рождаются, растут и умирают.

Понимание того, как быстро расширяется Вселенная и, следовательно, как она развивалась. По мере того, как мы получаем все больше и больше данных о столкновении пар черных дыр, Хольц и другие разработали методы, позволяющие использовать их для расчета скорости расширения Вселенной. Это число, называемое постоянной Хаббла, является ключом к пониманию прошлого, настоящего и будущего поведения Вселенной, а также природы темной материи и темной энергии.

Согласование наших основных теорий Вселенной. Один из самых фундаментальных вопросов современной физики заключается в том, как согласовать квантовую механику, которая является законом для самых маленьких частиц во Вселенной, с общей теорией относительности, которая является законом для самых больших объектов во Вселенной. Эти два набора законов не совсем совпадают. Но черные дыры — идеальное место для изучения связей между ними.

Например, Стивен Хокинг предположил, что законы квантовой механики предполагают, что черные дыры имеют очень маленькую температуру, что удивило ученых, поскольку это подразумевает, что некоторое излучение равно покидает черную дыру. Это имеет всевозможные последствия для нашего понимания физики. (Один из таких выводов: со временем черные дыры должны терять массу все быстрее и быстрее, пока не взорвутся. Однако на это уйдут триллионы и триллионы лет, так что никого из нас не будет рядом, когда это произойдет.)

Как был сделан первый снимок черной дыры?

В 2019 году люди во всем мире были взволнованы, увидев первое в истории изображение черной дыры, а затем, в 2022 году, изображение нашей «личной» сверхмассивной черной дыры в Млечном Пути. Яркое кольцо вокруг каждой из них создано очень горячим материалом, который вращается вокруг черной дыры.

Это было первое прямое изображение черной дыры, когда-либо сделанное — все остальные изображения, которые вы видели, являются симуляциями или художественными иллюстрациями.

Эти черные дыры находятся так далеко, что ни один обычный телескоп не сможет их увидеть. Вам понадобится телескоп размером с Землю, но ученые выяснили, что вместо этого они могут собрать воедино изображения, сделанные одновременно с телескопов, расположенных по всей Земле. (Одним из них был Телескоп Южного полюса, которым руководила команда, возглавляемая Чикагским университетом, который обеспечил вид со дна Земли.)

Все вместе эта сеть объединенных телескопов называется Телескоп Горизонта Событий. Затем они надеются создать «кино» светящегося газа, движущегося вокруг черной дыры по мере ее втягивания. Узнайте больше о квесте по получению изображений здесь.

Чего еще не знают ученые о черных дырах?

Несмотря на то, что в последние десятилетия новые детекторы и телескопы сообщают нам все больше и больше о черных дырах, у ученых по-прежнему остаются сотни вопросов о черных дырах. Что они едят и как часто? Что происходит, когда вещи падают? Когда он падает, сколько возвращается обратно? Это вещество в конечном итоге заставляет черную дыру вращаться? Как вообще создаются эти черные дыры?

Есть и более фундаментальные вопросы: от «Что находится внутри черной дыры?» до «Как сверхмассивные черные дыры связаны со своими галактиками?»

«В черных дырах все абсурдно. Очень привлекательно сказать, что они не могут существовать, за исключением того, что и наши теории, и наши наблюдения показывают, что они должны существовать и действительно существуют», — сказал профессор Хольц.

Одна вещь, которая не дает спать ученым по ночам, заключается в том, действительно ли информация, попадающая в черную дыру, исчезает навсегда. Есть и другие законы физики, гласящие, что вся информация во Вселенной сохраняется; даже если вы сожжете блокнот, его информацию теоретически можно восстановить по оставленным следам и газам, а также излучаемому свету. Но, насколько мы можем судить, вполне возможно, что информация из записной книжки, упавшей в черную дыру, действительно может быть стерта из вселенной.

Дополнительные вопросы

На самом деле мы не знаем! Маленькие черные дыры, масса нашего Солнца и всего несколько миль в диаметре, трудно обнаружить, поэтому некоторые из них могут спокойно жить в галактическом районе без нашего ведома. Ближайшая сверхмассивная черная дыра находится в центре нашей галактики и называется Стрелец А*. Тем не менее, не волнуйтесь: Земле не грозит падение в черную дыру.

Нет! Даже если бы само Солнце превратилось в черную дыру, оно было бы слишком далеко от нас, чтобы засосать нас. Помните, что для того, чтобы быть съеденным, вам нужно войти в пасть черной дыры.

Вместо этого Земля, вероятно, испарится вместе с другими близлежащими планетами после того, как Солнце начнет выгорать еще через миллиард лет или около того.

Нет, наше солнце слишком маленькое, чтобы стать черной дырой. Согласно расчетам, впервые сделанным профессором Субрахманьяном Чандрасекхаром из Чикагского университета, черными дырами становятся только звезды, которые по крайней мере в 1,4 раза больше нашего Солнца. Вместо этого наше солнце сначала расширится, а затем сожмется в остывающий объект, называемый белым карликом. Но ничего из этого не начнется в течение следующего миллиарда лет или около того, когда у Солнца закончится топливо.

Верхнее изображение: представление художника о сверхмассивной черной дыре в центре Млечного Пути, сделанное ESO/M. Корнмессер.

Черные дыры состоят из темной материи?

Иллюстрация активной черной дыры, которая аккрецирует материю и ускоряет ее часть … [+] наружу двумя перпендикулярными струями. Обычная материя, подвергающаяся подобному ускорению, прекрасно описывает, как работают квазары. Вещество, попадающее в черную дыру любой разновидности, будет отвечать за дополнительный рост как массы, так и размера горизонта событий для черной дыры, будь то нормальная материя или темная материя.

MARK A. GARLICK

Когда дело доходит до Вселенной, мало объектов более привлекательных, захватывающих или экстремальных, чем черные дыры. Уникальный результат действия непреодолимой гравитационной силы, черные дыры — это области пространства, в которых так много массы упаковано в такой маленький объем, что ничто — даже самые быстрые формы энергии из всех, такие как свет — не может выйти из них. Поскольку существует совершенно темная область космоса, где все, что пересекает ее, неизбежно всасывается, и ничто изнутри не может выйти наружу, мы никогда не сможем исследовать их внутреннюю структуру, чтобы увидеть, из чего они сделаны. Итак, могут ли они состоять из темной материи? Вот что хочет знать Радхана Домала, спрашивая от имени своего ребенка:

«Мой сын учится в 3-м классе и хочет узнать о темной материи и темной энергии. Его вопрос: «Состоят ли черные дыры из темной материи?» Я не знаю, как ему помочь».

Вы пришли в нужное место. Давайте не только выясним, но и разберем его таким образом, чтобы каждый мог понять и насладиться ответом.

В апреле 2017 года все 8 телескопов/массивов телескопов, связанных с горизонтом событий… [+] Телескоп указал на Мессье 87. Вот как сверхмассивная черная дыра выглядит снаружи, а горизонт событий хорошо видно.

Сотрудничество с Event Horizon Telescope и др.

Во-первых, давайте начнем с более простого вопроса: что означает, что что-то физически может быть «черным», и это то же самое, что быть «темным» в том смысле, в котором мы его используем?

Что-то черное буквально определяется отсутствием цвета любого типа: любой свет, который вы направляете на него, любой энергии, любой длины волны или любой интенсивности, всегда будет поглощаться и никогда не отражаться. Совершенно черный материал поглощает все, что с ним встречается, и просто нагревается в ответ.

Даже когда что-то черное, оно все равно излучает энергию или излучает. Если вы возьмете железный горшок и поставите его на плиту, он нагреется; вы не сможете его увидеть, но сможете почувствовать. При температуре выше определенной — около 525 °C (977 °F) — горячие предметы, даже если они полностью черные, начинают светиться красным и излучать свет.

ЕЩЕ ДЛЯ ВАС

Когда лава извергается из вулкана, она кажется красной не потому, что она состоит из красного … [+] вещества, а потому, что серо-черный материал, из которого она состоит, нагревается до такой температуры, что горячий, что он излучает в видимом свете. (Группа Avalon/Universal Images через Getty Images)

Universal Images Group через Getty Images

Черные предметы поглощают все формы света и энергии и излучают только свет/энергию в зависимости от их температуры. С другой стороны, темные предметы будут поглощать свет и энергию, но не будут излучать ничего, что можно было бы обнаружить. Вот что делает что-то по-настоящему темным: оно блокирует все формы света, но не испускает собственного.

Итак, если это на самом деле «черный» и «темный», что такое черная дыра и что такое темная материя? Действительно ли черные дыры черные, а темная материя действительно темная?

Начнем с черных дыр. Черные дыры — это области пространства с таким большим количеством материи и энергии в таком маленьком объеме, что это создает то, что известно как горизонт событий. Горизонт событий — это граница: все, что находится за его пределами, все еще может ускользнуть, если оно движется или ускоряется достаточно быстро, но все, что пересекает горизонт событий, будет втянуто в центральную сингулярность независимо от того, что оно делает или как быстро оно движется. Изнутри горизонта событий черной дыры даже свет, движущийся с самой высокой скоростью во Вселенной, не может вырваться.

Как внутри, так и вне горизонта событий черной дыры Шварцшильда пространство течет либо как … [+] движущаяся дорожка, либо как водопад, в зависимости от того, как вы хотите это визуализировать. На горизонте событий, даже если бы вы бежали (или плыли) со скоростью света, не было бы преодоления потока пространства-времени, затягивающего вас в сингулярность в центре. Однако за пределами горизонта событий другие силы (например, электромагнетизм) часто могут преодолевать гравитацию, заставляя улетучиваться даже падающую материю.

Эндрю Гамильтон / JILA / Университет Колорадо

Возникает интересная загадка: действительно ли черные дыры черные? Ответ положительный: черные дыры чрезвычайно черны, возможно, самые черные объекты во всей Вселенной. Да, вне черных дыр может существовать материя, которая излучает свет, но он исходит не от самой черной дыры. Единственное, что мешает черным дырам быть абсолютно черными, — это законы квантовой физики, которые описывают, как ведет себя Вселенная на самых маленьких масштабах длины. Даже в самом пустом пространстве, где нет материи, действуют правила квантовой физики.

Близко к горизонту событий черной дыры пространство очень сильно искривлено; Вдали от горизонта событий черной дыры пространство искривляется все менее и менее сильно и кажется почти идеально плоским. Разница между квантовыми свойствами искривленного и неискривленного пространства вызывает испускание небольшого количества излучения — в виде низкоэнергетического света: излучение Хокинга. Это единственная форма света, которая исходит от черной дыры, и ее невозможно обнаружить. Насколько мы можем их наблюдать, черные дыры одновременно и полностью черные, и совершенно темные.

Если убрать материю за пределы черной дыры, единственная возможность у нее будет испускать … [+] свет любого типа — это излучение Хокинга: квантовые эффекты, возникающие из-за искривления пространства вблизи черной дыры горизонт событий дыры. Кроме того, черные дыры одновременно полностью черные и совершенно темные.

Коммуникация науки ЕС

Что насчет темной материи? Как это соотносится с «обычной» материей?

Здесь все становится запутанным, так что пристегнитесь. Когда мы думаем о «нормальной» материи, мы думаем о таких вещах, как материя в нашей Солнечной системе: растениях, животных, океанах, континентах, планетах, лунах и Солнце. Если бы мы смотрели только глазами — или с помощью телескопов, которые могли бы видеть тот же тип света, что и наши глаза, — почти все, что существует во Вселенной, было бы темным.

Единственными не темными объектами будут:

сами звезды,
светящиеся газовые облака,
взрывающихся или умирающих звезд,
остатки тех умирающих звезд (таких как белые карлики и нейтронные звезды),
неудавшихся звезд, которые все еще светились (как коричневые карлики),
и темные объекты, такие как планеты, которые находились достаточно близко к источникам света, чтобы они могли поглощать и отражать часть этого света.

Темная туманность Барнард 68, теперь известная как молекулярное облако, называемое глобулой Бока, имеет … [+] температуру менее 20 К. Она очень темная в видимом свете, но все же довольно теплая по сравнению с температуры космического микроволнового фона. Это темная материя, но не «темная материя».

ESO

Нормальная материя, которая не излучала свет, тогда была бы настоящей «темной» материей, поскольку именно она поглощает свет и не излучает его. Если у вас есть облако нейтрального газа в межзвездном или межгалактическом пространстве, это отличный пример темной материи: она поглощает видимый свет, проходящий через нее, но не излучает собственного видимого света. Но это просто обычная материя, которая не излучает свет; это не то, чем на самом деле является темная материя.

Вместо этого то, что мы называем «темной материей», представляет собой совершенно новый тип материи, который, к сожалению, имеет неточное название. Темная материя на самом деле не «темная», как мы ее понимаем, потому что она не поглощает свет и не препятствует прохождению света через нее. То, что мы должны были бы назвать, если бы хотели быть точными, — это «невидимая материя», потому что свет просто проходит сквозь нее, как будто ее вообще нет. Это выходит за рамки света: через него проходит обычная материя, и даже другие частицы темной материи тоже проходят через темную материю. Это действительно невидимо для каждого взаимодействия, о котором мы знаем.

Пример/иллюстрация гравитационного линзирования и искривления звездного света из-за массы. Прежде чем… [+] были сделаны какие-либо количественные предсказания, даже до того, как Эйнштейн разработал теорию, он знал, что свет должен искривляться массами. Прошло около 60 лет с того момента, как Эйнштейн впервые предложил свою теорию, до первого обнаружения гравитационной линзы.

NASA / STScI

Единственная причина, по которой мы вообще знаем об этой невидимой материи — которую я все равно назову «темной материей», — заключается в том, что она ведет себя так, как будто у нее есть масса, а все массы во Вселенной изгибаются и искажаются. ткань космоса. Когда мы смотрим на свет от удаленных объектов, этот свет должен пройти через искривленное и искаженное пространство, а это означает, что удаленные объекты, которые мы видим, будут казаться нам искаженными.

Мы видим не далекие звезды и галактики в точности такими, какие они есть, а скорее звезды и галактики, какими они появляются после прохождения через аналог зеркала в доме смеха: где изображения искажаются из-за того, что происходит между ними, где свет покидает объект и достигает наших глаз (или телескопов). Возникают два типа искажений: сильное гравитационное линзирование и слабое гравитационное линзирование, и оба они раскрывают существование и необходимость темной материи.

Скопления и скопления галактик искривляют и искривляют пространство, которое линзирует свет от фоновых объектов… [+], проходящих через них. Здесь дуги, искаженные формы и другие особенности проявляются как сочетание слабых и сильных эффектов гравитационного линзирования.

ЕКА, НАСА, К. Шарон (Тель-Авивский университет) и Э. Офек (Калифорнийский технологический институт)

Итак, пришло время собрать воедино эти фрагменты информации и задать главный вопрос: как создать черную дыру? Ответ так же прост, как вы могли предположить; вы просто собираете достаточно массы (или материи любой формы) вместе в одной области пространства и позволяете гравитации разрушить ее. Как только вы преодолеете определенный критический порог, образование черной дыры станет не только возможным, но и фактически неизбежным.

Это легко сделать для обычной, нормальной материи, и мы действительно знаем несколько способов, которыми наша Вселенная действительно формирует черные дыры из обычной материи. Вот они:

большая массивная звезда наберет в своем ядре достаточную массу, чтобы в ней произошла коллапс ядра сверхновой, ведущей к черной дыре,
две нейтронные звезды могут столкнуться, создав горизонт событий и приведя к черной дыре,
и плотное скопление материи в виде газа или звезды может напрямую коллапсировать, что приведет к черной дыре.

Существуют и другие механизмы, которые также возможны в теории — например, аккреция на звездный остаток — которые могли бы создать черную дыру, но просто не наблюдались.

На этих двух изображениях Хаббла одних и тех же областей космоса массивная звезда (слева) внезапно … [+] исчезла (справа), что указывает на то, что она непосредственно коллапсировала, образовав черную дыру. Не было никаких свидетельств сверхновой или какого-либо инфракрасного излучения; прямой коллапс — единственный в настоящее время жизнеспособный, неэкзотический сценарий.

НАСА/ЕКА/К. Kochanek (OSU)

Но у темной материи есть большая проблема, если мы хотим, чтобы она образовывала черные дыры. Нормальная материя может образовывать эти плотные скопления объектов по одной причине: она может сталкиваться с другими частицами обычной материи, и эти столкновения могут рассеивать энергию. Вы сделаны из обычной материи, и вы можете проверить это, потирая руки взад-вперед или дав кому-нибудь «дай пять». Когда вы потираете руки, вы на самом деле чувствуете энергию, которая исходит от них, потому что ваши руки нагреваются. Когда вы даете пять кому-то другому, вы можете услышать высвобождаемую энергию (в виде звука) и почувствовать ее (в укусе в руке).

Это рассеянная энергия, и она возникает из-за реальных физических взаимодействий обычной материи, таких как столкновения, с другими формами обычной материи. Но темной материи нет. Насколько мы можем судить, она не сталкивается ни с нормальной материей, ни с темной материей, а значит, не может рассеять свою энергию и, следовательно, не может коллапсировать. Темная материя, как она есть во Вселенной, всегда рассеяна и никогда не бывает плотной, поэтому только обычная материя может создавать черные дыры, а не темная материя.

В то время как обычная материя, как и видимая часть нашей галактики, может взаимодействовать, сталкиваться и рассеивать … [+] энергию, темная материя (в синих сгустках) не может. Темная материя остается рассеянной и, как следствие, не может достичь высокой плотности, необходимой для создания черных дыр.

НАСА, ЕКА и Т. Браун и Дж. Тамлинсон (STScI)

Если у вас есть черная дыра, все, что попадает внутрь горизонта событий извне, включая темную материю, увеличивает ее массу. . Но чтобы изначально образовать черную дыру, вам нужна обычная материя. Только нормальная материя, которая способна взаимодействовать, терять энергию и сжиматься до очень маленького объема, может набрать достаточную массу в достаточно маленьком пространстве, чтобы привести к образованию черной дыры.

Хотя это весьма спекулятивно и вряд ли отражает реальность, ученые иногда выдвигают теории о том, что темная материя могла бы, в конце концов, привести к черной дыре.

Вселенная могла родиться с областями, очень богатыми темной материей, и они могли непосредственно коллапсировать в черные дыры.