Черная дыра как устроена: Заглянуть во тьму: как устроена черная дыра

Заглянуть во тьму: как устроена черная дыра

  • Технологии

Фото Getty Images

Астрономы рассмотрели, как в далекой галактике объект размером с Землю исчезает в черной дыре. Оказалось, что черные дыры устроены куда интереснее, чем думали раньше

Широкая публика питает огромный интерес к черным дырам — возможно, концепция «горизонта событий» как-то перекликается с человеческим опытом непоправимости жизненных ошибок. Что касается астрофизиков, то многие из них воспринимают этот интерес скептически: черная дыра, говорят они, все же достаточно простой объект по сравнению, к примеру, с нейтронной звездой. Однако недавняя работа профессора Кена Паундза из университета Лестера и его коллег свидетельствует, что жизнь черных дыр, возможно, куда сложнее и разнообразнее, чем считалось раньше.

О том, как выглядит черная дыра в представлении физиков-теоретиков, можно узнать из фильма «Интерстеллар»: картинку для фильма помогал разрабатывать нобелевский лауреат Кип Торн. Согласно этому представлению, дыру окружает диск из падающего на нее газа. Газ вращается вокруг дыры, разгоняясь при этом до огромных скоростей, и излучает огромную энергию (это, видимо, самый эффективный способ преобразования материи в энергию, существующий во Вселенной). Излучение этого газа столь мощно, что земные астрономы способны фиксировать его, даже если черная дыра находится от нас на расстоянии в миллиарды световых лет. Подобные объекты известны с середины ХХ века и получили название квазаров.

Отчего-то было принято считать, что вокруг черной дыры образуется всего один диск из падающего газа («диск аккреции»), причем ось его вращения совпадает с осью вращения самой черной дыры. Однако такая картина выглядит упрощенной. Оси вращения в системах небесных тел, вообще говоря, не обязаны быть параллельны. К примеру, ось вращения Земли не параллельна оси ее орбиты, и из-за этого мы имеем шанс наслаждаться таким захватывающим явлением, как смена времен года. Возможно, в случае черных дыр несовпадение осей вращения тоже способно породить много интересных явлений. Именно такой случай и наблюдали британские астрономы.

Их внимание привлекла галактика PG211+143, находящаяся примерно в миллиарде световых лет от нас в созвездии Волосы Вероники (его можно найти в северном небе между Девой и Большой Медведицей). В ее центре находится черная дыра в 40 млн солнечных масс. Наблюдали ее с помощью рентгеновской обсерватории XMM-Newton Европейского космического агентства.

Спектр излучения газа свидетельствовал, что он падает на дыру почти отвесно, практически не вращаясь. При этом скорость его падения достигает трети скорости света — 100 000 километров в секунду. Исследователи в течение суток наблюдали за судьбой одного сгустка материи размером примерно с нашу планету, который за это время приблизился к черной дыре на беспрецедентно малое расстояние — всего в 20 раз больше, чем радиус горизонта.

О том, что чего-то в этом роде следовало ожидать, астрономы заранее знали из результатов компьютерной симуляции, проведенной на суперкомпьютере Dirac учеными из того же университета Лестера. Исследователи пытались понять, как будут взаимодействовать между собой несколько дисков аккреции, при условии что газ приближается к черной дыре по произвольным траекториям. Установлено, что взаимодействие образующихся при этом дисков и колец приведет к тому, что вращение будет тормозиться, а падение на дыру значительно ускорится.

Астрономы полагают, что подобная ситуация может быть довольно типична для черных дыр, находящихся в центрах галактик. В этом случае следует ожидать, что они будут вращаться сравнительно медленно, зато смогут заглатывать материю с очень высокой скоростью. Это может быть ответом на давний вопрос: каким образом сверхмассивные черные дыры успели набрать свою массу.

К той же проблеме с другой стороны подошли исследователи из Джорджии, проведя компьютерную симуляцию образования черной дыры путем «прямого коллапса» (то есть непосредственно из облака газа в момент образования галактики). Результаты опубликованы в Nature на этой неделе. Если верить суперкомпьютеру, в ходе этого процесса происходит много интересного, в том числе активное образование звезд в облаке коллапсирующего газа. Этот процесс мог происходить на ранних стадиях существования Вселенной, а это значит, что наблюдать нечто подобное можно лишь в галактиках, находящихся во многих миллиардах световых лет от нашей. Такую возможность астрономам даст космический телескоп James Webb, запуск которого намечен на 2021 год. На это событие и нацелена работа ученых из Джорджии: их симуляция призвана выявить характерные черты («подписи», или «сигнатуры») подобных объектов, чтобы астрономы, зафиксировав нечто подобное, сразу поняли, с чем имеют дело.

Итогом этих недавних научных работ стало более глубокое понимание того, насколько сложным объектом может оказаться черная дыра. Благодаря открытиям астрофизиков теперь совсем не обязательно лично падать в черную дыру, чтобы познакомиться с ее устройством. А если нечто подобное все-таки с вами случится, вы будете лучше подготовлены к тому, что вам предстоит увидеть.

  • Алексей Алексенко

    Автор

#физика
#космос

Рассылка Forbes

Самое важное о финансах, инвестициях, бизнесе и технологиях

секрет самого загадочного явления во Вселенной

Черные дыры — одни из самых удивительных и таинственных объектов в известной нам Вселенной. Современные технологии уже позволили получить их фото, но как на самом деле устроена черная дыра?

Роман Фишман

Впервые предсказанные еще в конце XVIII века, описанные Теорией относительности в начале ХХ века черные дыры чересчур малы или слишком далеки для того, чтобы их можно было различить с помощью обычных телескопов. Но с совершенствованием науки и техники у нас появились и более продвинутые телескопы, которые способны фиксировать сигналы в различных диапазонах длин волн. Это и сделало возможным наблюдение черных дыр.

Черная дыра в центре Млечного Пути

Сверхмассивная черная дыра Стрелец А* в центре нашей Галактики насчитывает около 4 миллионов масс Солнца, упакованных в пространстве радиусом меньше орбиты Меркурия. Для наблюдения за ней несколько лет назад был запущен громадный радиоинтерферометр EHT – «телескоп горизонта событий» размером с Землю. При помощи этого инструмента ученые хотели выяснить, как устроена черная дыра в центре нашей галактики.

Но первой добычей нового инструмента оказалась сверхмассивная черная дыра галактики M87. Она расположена в тысячи раз дальше Стрельца А*, зато и в тысячи раз крупнее него. Обработка полученных еще в 2017 году данных заняла около двух лет, однако дело того стоило: «Это как заглянуть во врата ада, за пределы пространства и времени», – описал свои впечатления один из авторов этой грандиозной работы. Давайте полюбопытствуем вместе.

Галактика M87, одна из крупнейших в Местном сверхскоплении галактик, расположена на расстоянии около 54 млн световых лет. Сверхмассивная черная дыра M87* в ее центре насчитывает 6,5 млрд масс Солнца и ежедневно поглощает 90 масс Земли (одну массу Солнца примерно за 10 лет).

Из чего состоит черная дыра?

Каким бы простым не казалось устройство этого «звездного водостока», на самом деле у черной дыры есть несколько частей — некоторые мы можем видеть напрямую, другие — лишь предсказать теоретически. Итак, взглянем на состав типичной черной дыры.

Горизонт событий – воображаемая линия, оказавшись за которой ничто не может вернуться обратно. Горизонт событий черной дыры имеет характерный размер – гравитационный радиус. Пересекая его, все объекты уходят за пределы наблюдаемой Вселенной, исчезая в сингулярности. Гравитационный радиус черной дыры M87* составляет 0,019 светового года, более чем в сто раз превышая орбиту Земли.

Аккреционный диск материи, падающей в черную дыру: ускоряясь и раскаляясь, вещество активно излучает в широком диапазоне волн, позволяя увидеть если не саму дыру, то ее ближайшие окрестности. Аккреционный диск сверхмассивной черной дыры M87* тянется на 0,4 светового года – в тысячи раз дальше орбиты Плутона.

Релятивистские струи появляются при взаимодействии аккрецирующей плазмы с магнитными полями. Часть вещества на околосветовой скорости выбрасывается из полюсов диска двумя узкими противоположно направленными потоками. Сверхмассивная черная дыра M87* выбрасывает джеты длиной до 5000 световых лет. Один из них направлен в нашу сторону и виден в оптическом диапазоне.

Фотонная сфера образуется светом, оказавшимся на круговой орбите вокруг черной дыры. Положение попавших сюда частиц неустойчиво, и, совершив один или несколько оборотов, они неизбежно падают в недра дыры или уходят по спирали в космическое пространство.

Изображение черной дыры

На изображении черная дыра тоже не похожа на затягивающий в себя звездное вещество слив раковины, как ее иногда рисуют. На самом деле даже на фотографии черной дыры можно различить несколько ее основных частей, исследование которых может дать много информации об это загадочном объекте.

Тень дыры возникает из-за искривления траектории фотонов, пролетающих невысоко над сферой горизонта событий. Ее размеры примерно в 2,6 раза больше гравитационного радиуса черной дыры.

Обратная сторона аккреционного диска видна из-за мощного гравитационного линзирования. Некоторые фотоны с противоположной стороны черной дыры огибают сферу горизонта событий, и становятся видны дальние стороны аккреционного диска – верхняя и нижняя.

Кстати, у «TechInsider» появился новый раздел «Блоги компаний». Если ваша организация хочет рассказать о том, чем занимается — напишите нам

Как на самом деле работают черные дыры?

ЛИГО/Т. Pyle

Научная фантастика часто полагалась на концепцию черных дыр как на сюжетный ход, изображая их как порталы в другие вселенные или как транспортные средства для путешествий во времени. Но что происходит, когда мы убираем из этого вымысел? Что на самом деле происходит внутри этих ужасающих далеких существ?

Короче говоря, черные дыры — это массивные гравитационные ямы, искривляющие пространство-время из-за их невероятно плотных центров или сингулярностей. . Когда звезда умирает, она быстро схлопывается внутрь. Когда она коллапсирует, звезда взрывается сверхновой — происходит катастрофический выброс ее внешнего материала. Умирающая звезда продолжает коллапсировать, пока не станет сингулярностью — чем-то, состоящим из нулевого объема и бесконечной плотности. Именно это, казалось бы, невозможное противоречие приводит к образованию черной дыры.

Чрезвычайная плотность новой сингулярности притягивает к себе все, включая пространство-время. Пространство-время, в самом общем смысле, есть союз пространства и времени как один четырехмерный континуум. Итак, что произойдет, если вы согните его? Что ж, если бы вы увидели черную дыру вблизи, время определенно двигалось бы совсем не так, как здесь, на Земле. Если вы представляете пространство-время как подвешенную плоскую плоскость Silly Putty, то создание сингулярности было бы подобно помещению в центр шарика. Мрамор резко изгибал плоскость вниз, что удлиняло любое взаимодействие с плоскостью по направлению к мрамору. То же самое происходит с черными дырами, хотя искажение, которое вы испытаете, будет немного более серьезным, чем то, что может создать Silly Putty.

На краю черной дыры или горизонта событий время начинает астрономически замедляться. Чем дальше в черную дыру вы рискуете, тем более искаженным становится время. Некоторые теории даже предполагают, что если бы вы могли пережить первоначальный вход в черную дыру, то ее внутренняя часть создавала бы образы будущего и прошлого одновременно — идея, согласующаяся с теорией мультивселенной Вселенной. Хотя это интересная концепция — и, без сомнения, она стала источником многих фаворитов научной фантастики — из-за недоступности черных дыр нет известного способа проверить ее. Однако общепризнано, что из-за искажения пространственно-временного континуума черной дырой время у основания ее горизонта событий течет намного медленнее, чем время на Земле.

Черные дыры трудно найти, но если вы не только найдете одну, но и войдете в нее, вы обнаружите, что это смертельно. Интенсивная гравитационная сила от сингулярности притягивает с разной скоростью, в зависимости от местоположения относительно центра, что может вызвать эффект «спагеттификации» любого объекта, которому не посчастливилось попасть внутрь. Как следует из этого слова, спагетификация удлиняет рассматриваемый объект так, что он напоминает спагетти.

Возможно, мы никогда не сможем точно доказать, что происходит внутри черных дыр, хотя многие ученые связывают сингулярности с теорией большого взрыва, согласно которой наша Вселенная возникла из того, что могло быть сингулярностью.

Черные дыры и почему время замедляется, когда вы находитесь рядом с ними

© World Science Festival

Черная дыра — это космический водопад

Водопад

    Определение черной дыры

    Возможно, вы слышали популярное определение черной дыры.
    Черная дыра — это объект, гравитация которого настолько сильна, что даже свет не может вырваться.
    Определение правильное,
    но это не дает хорошего представления о том, почему свет не может ускользнуть.

    Я предпочитаю другое определение.
    Черная дыра — это место, где пространство падает быстрее света.


    Рен и Стимпи

    Один из самых популярных
    Эпизоды «Рен и Стимпи»

    «Черная дыра»,
    в котором Рен и Стимпи попадают в черную дыру.

    Внутри черной дыры Рен и Стимпи оказываются на странной планете.
    где происходят странные вещи.
    Они превращаются в причудливые формы.
    Части кузова отсоединяются и собираются заново.

    Эпизод представляет собой восхитительную художественную интерпретацию
    идея о черных дырах
    места, где пространство и время фантастически искривляются.
    Идея правильная,
    но это мало что дает, чтобы повесить свой мозг
    если вы хотите понять, что на самом деле происходит внутри черных дыр.


    Вводящая в заблуждение картина

    В 1784 г.
    Джон Мичелл 1
    предложенный в контексте корпускулярной теории света Ньютона,
    что если бы скорость убегания от массы превышала скорость света,
    тогда масса была бы невидима.
    На его картине свет, излучаемый объектом, поднимался вверх,
    повернуться и вернуться вниз.

    Изображение Мичелла заманчиво,
    но это отличается от того, что предсказывает общая теория относительности.
    Общая теория относительности предсказывает, что любой свет, излучаемый в пределах горизонта, втягивается внутрь,
    даже если свет направлен прямо наружу.
    Картинка слева,
    который показывает, как свет поднимается, поворачивается и снова падает вниз, вводит в заблуждение.


    Водопад космоса

    Более проницательный способ понять, как работает черная дыра, состоит в том, чтобы
    изображайте пространство как водопад, впадающий в черную дыру.
    Слева фильм о водопаде Боулдер, который я сфотографировал.
    Вот
    фильм со звуком.

    Представьте лучи света, фотоны, как рыб, яростно плывущих по течению.
    За горизонтом,
    космос падает в черную дыру со скоростью меньше скорости света
    (или скорость рыб),
    и фотонные рыбы, плывущие вверх по течению, могут пробиваться против течения.
    На горизонте,
    пространство падает в черную дыру со скоростью света.
    На горизонте
    фотонная рыба, плывущая прямо против течения
    просто останусь там, плавая как сумасшедший,
    но никуда не денется,
    внутренний поток пространства точно отменяет движение рыбы.
    Внутри горизонта,
    космический водопад падает быстрее скорости света,
    таскать все с собой.
    Как ни старается плыть вверх по течению,
    фотонная рыба внутри горизонта
    уносится потоком пространства неизбежно внутрь
    к своей конечной судьбе.

    На изображении справа
    (счастливая) рыба вверх по течению может пробиваться против течения,
    но (грустная) рыба вниз по течению уносится на дно водопада.
    Эту картину нарисовала моя дочь Уайлд,
    и предоставил обложку для июньского номера 2008 г.
    Американского журнала физики 4 .

    Разве теория относительности не говорит, что ничто не может двигаться быстрее света?
    Это правда, что ничто не может перемещаться от до пространств быстрее света.
    Однако в общей теории относительности само пространство может делать все, что захочет.

    Идея космического движения — это то, с чем вы, возможно, уже встречались в космологии.
    (изучение Вселенной в целом),
    в представлении о том, что Вселенная расширяется.


    Водопад Шварцшильд

    Изображение пространства, падающего в черную дыру
    имеет прочную математическую основу,
    впервые обнаружен в 1921 г.
    лауреат Нобелевской премии Альвар Гульстранд 2 ,
    и независимо французским математиком и политиком
    Поль Пенлеве 3 ,
    который был премьер-министром Франции в 192 )
    \)

    что является просто метрикой Шварцшильда, выраженной в другой системе координат.
    Время свободного падения
    \(т _ {\ тт фф} \)
    — собственное время, которое испытывают наблюдатели, свободно падающие радиально с нулевой скорости на бесконечности.
    Скорость \(v\) в метрике Гульстранда-Пенлеве
    равна ньютоновской скорости убегания от сферической массы \(M\)

    \(
    \displaystyle
    v = — \sqrt{2 G M \over r}
    \)

    со знаком минус, потому что пространство падает внутрь, к меньшему радиусу.

    Физически,
    метрика Гульстранда-Пенлеве
    описывает падение пространства в черную дыру Шварцшильда
    при ньютоновской космической скорости.
    Вне горизонта скорость падения меньше скорости света.
    На горизонте скорость равна скорости света.
    А внутри горизонта скорость превышает скорость света.
    Технически,
    метрика Гульстранда-Пенлеве кодирует не только метрику,
    но и полная ортонормированная тетрада,
    набор из четырех локально инерционных осей в каждой точке пространства-времени.
    Тетрада Гюльстранда-Пенлеве свободно падает по координатам
    при ньютоновской космической скорости.

    Это интересный исторический факт
    что математика черных дыр была понята задолго до появления физики.
    Сам Эйнштейн неправильно понял, как работают черные дыры.
    Он думал, что геометрия Шварцшильда
    имел сингулярность на своем горизонте,
    и что области внутри и вне горизонта составляют два отдельных пространства-времени.
    Я думаю, что даже сегодня
    в исследованиях общей теории относительности слишком часто доминируют
    абстрактное математическое мышление
    в ущерб концептуальному пониманию.


    Водопад Райснер-Нордстрем

    Водопадная модель работает одинаково хорошо
    для заряженной черной дыры,
    геометрия Рейснера-Нордстрема.
    Однако, тогда как в геометрии Шварцшильда
    водопад падает со все возрастающей скоростью вплоть до центральной сингулярности,
    в геометрии Рейснера-Нордстрема
    водопад замедляется,
    благодаря гравитационному отталкиванию
    создается напряжением или отрицательным давлением электрического поля.

    Водопад Райснер-Нордстрём описывается точно так же.
    Гульстранд-Пенлеве 92 / (2 м)\)
    внутри внутреннего горизонта.
    В этот момент пространство разворачивается и ускоряется обратно,
    снова достигнув скорости света на внутреннем горизонте
    \(р_-\).
    Теперь космос входит в белую дыру,
    где пространство движется наружу быстрее света.
    Диаграмма слева, кажется, показывает белую дыру
    там же, где и черная дыра,
    но на самом деле,
    как видно в
    Диаграмма Пенроуза,
    белая дыра и черная дыра — разные области пространства-времени.
    Когда пространство падает наружу в белую дыру,
    гравитационное отталкивание, вызванное отрицательным давлением электрического поля
    ослабевает по сравнению с гравитационным притяжением, создаваемым массой.
    Уходящее пространство замедляется до скорости света
    на внешнем горизонте
    \(г_+\)
    из белой дыры.
    Затем пространство переходит в новую область пространства-времени,
    возможно, новая вселенная.

    Все это звучит странно?
    Да, это так.
    К сожалению, вся картина пространства переворачивается
    и стрелять обратно через белую дыру
    в другое пространство-время
    в реальности не бывает.
    Хотя геометрия Рейснера-Нордстрема
    является точным математическим решением уравнений Эйнштейна,
    в действительности геометрия подвергается насильственному
    нестабильность на внутреннем горизонте.


    Водопад червоточины

    Когда вы в последний раз видели водопад, спускающийся по одной стороне ущелья
    а другой вскочил?

    Ну так не бывает на самом деле
    и в черных дырах тоже не бывает.

    В водопаде,
    вода отскакивает от дна оврага
    сталкивается с водой, текущей вниз по водопаду,
    производя турбулентный хаос воды
    на дне водопада.

    Внутри заряженной или вращающейся черной дыры происходит нечто не сильно отличающееся.
    Поскольку пространство не имеет вещества (согласно теории относительности),
    пока черная дыра пуста,
    тогда нет проблем с движением пространства одновременно в двух разных направлениях.
    Но в тот момент, когда в черную дыру падает что-то реальное,
    так оно и есть на самом деле,
    затем вещи пытаются вылететь обратно
    сталкивается с вещами, которые все еще падают.
    Как на дне водопада,
    результатом является энергетический хаос глубоко внутри черной дыры.

    Математик может построить решение, в котором водопад
    упал с одной стороны оврага,
    плавно повернулся,
    и упал с другой стороны,
    сохранение энергии и импульса,
    и не генерирует энтропию.
    Математик может возразить, что действительно
    это простейшее математическое решение для водопада.
    Но на самом деле такого водопада никогда не бывает.


    Водопад Керр

    Геометрия вращающейся черной дыры описывается метрикой Керра,
    обнаружен новозеландцем Роем Керром в 1963 5 .
    Геометрия Керра совпадает с геометрией Рейснера-Нордстрема.
    свойство иметь внутренний горизонт,
    которая соединяется с белой дырой, которая соединяется с новой вселенной.

    Центробежная сила заставляет горизонт черной дыры выпячиваться в эллипс.
    Та же центробежная сила размыкает сингулярность в кольцо.
    Внешний горизонт и внутренний горизонт образуют конфокальные эллипсоиды,
    с кольцевой особенностью в фокусе эллипсоида.

    Вращающаяся черная дыра тащит за собой пространство.
    За горизонтом черной дыры находится область, называемая эргосферой.
    где пространство таскается с такой скоростью, что там ничто не может оставаться в покое.
    Бывший студент однажды назвал эргосферу
    место, откуда берутся маленькие дети,
    потому что там ничто не может оставаться в покое.


    Антивселенная Керра

    Если пройти через диск, ограниченный кольцевой особенностью
    черной дыры Керра,
    затем вы попадаете в другую область пространства, в антивселенную.
    Антивселенная продолжает геометрию Керра до отрицательного радиуса.
    (в эллипсоидальных координатах).
    Наблюдатель в антивселенной воспринимает геометрию Керра
    быть вращающейся черной дырой отрицательной массы.

    Кольцо сингулярности обвивается тороидальной областью,
    который я называю sisytube,
    содержащие замкнутые времениподобные кривые (ЗВК) 6 .
    Наблюдатель, обращающийся ретроградно вокруг тора, может оказаться
    приобщение к собственному прошлому.
    Подобно Сизифу, они обречены вечно повторять одну и ту же петлю времени.

    Грустно,
    от внутреннего горизонта внутрь,
    геометрия Керра не является реалистичной моделью астрономической черной дыры,
    потому что геометрия Керра подвержена инфляционной нестабильности в ее
    внутренний горизонт.
    Нажмите на
    узнать больше об инфляционной нестабильности.


    использованная литература

    1. Джон Мичелл (1784)
      «О средствах определения расстояния, величины и т. д.,
      неподвижных звезд вследствие уменьшения их света,
      в случае, если будет обнаружено, что такое уменьшение имеет место в отношении любого из них,
      и такие другие данные должны быть получены из наблюдений,
      поскольку это будет необходимо для этой цели»
      Фил.