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

Что такое черная дыра?

Ежедневные тайны

Забавные научные факты из Библиотеки Конгресса

« Назад к странице астрономии

Ответить

Когда особенно большая звезда приближается к концу своей жизни, она часто становится черной дырой.

Первое изображение черной дыры. Телескоп Event Horizon (EHT) — группа из восьми наземных радиотелескопов планетарного масштаба, созданная в результате международного сотрудничества — была разработана для получения изображений черной дыры. В апреле 2019 г., исследователи EHT представили первое прямое визуальное свидетельство сверхмассивной черной дыры в центре Мессье 87 и ее тени. Источники: Event Horizon Telescope Collaboration, пресс-релиз Европейской южной обсерватории (ESO), апрель 2019 г.

Физики и астрономы теоретизируют и изучают черные дыры уже более 200 лет. Эти ученые могут помочь нам лучше понять звездную эволюцию черных дыр, что, в свою очередь, может помочь нам понять динамику и механику нашей Вселенной. 10 апреля 2019 г., сеть радиотелескопов под названием Event Horizon Telescope (EHT) зафиксировала и доставила наше первое изображение черной дыры! Это знаменательное событие открывает новые захватывающие пути и области для изучения черных дыр.

Черные дыры когда-то были массивными звездами. Звезды излучают тепло и свет из-за ядерных реакций, происходящих в их ядрах. Атомы водорода превращаются в атомы гелия, а энергия, возникающая в результате реакции, заставляет звезду сиять. Энергия также помогает звезде сохранять свою сферическую форму. В то время как гравитация работает, чтобы схлопнуть звезду на себя, ядерная энергия противодействует гравитационной силе и поддерживает форму звезды.

После целой жизни, потраченной на слияние элементарных компонентов в гелий и более тяжелые атомы (вплоть до железа), у звезды в конце концов закончится топливо. Это означает, что в звезде происходит меньше ядерных реакций и слишком мало энергии для борьбы с гравитацией. Когда это происходит, меньшие звезды, такие как Солнце, превращаются в белых карликов — невероятно плотных звезд, которые концентрируют всю массу звезды в объеме размером с Землю. Этот тип звездной эволюции может происходить в течение миллиардов лет.

Столкновение двух черных дыр. Когда две черные дыры сталкиваются, они выделяют огромное количество энергии в виде гравитационных волн, которые длятся доли секунды и могут быть слышны по всей Вселенной — если у вас есть подходящие инструменты. 2017. Центр космических полетов имени Годдарда НАСА.

Наше Солнце недостаточно велико, чтобы стать черной дырой даже через несколько миллиардов лет. Гораздо более крупные звезды, которые в диапазоне от четырех до миллиардов раз массивнее Солнца, могут превратиться в черные дыры в конце своей жизни. Более крупные звезды «сжигают» свое водородное топливо гораздо быстрее, что приводит к тому, что продолжительность жизни звезд составляет всего десятки миллионов лет.

Эти более крупные звезды содержат так много материала, что когда они сгорают, их сильная гравитация схлопывает их в черные дыры. Сильная гравитация продолжает тянуть и тянуть, сжимая материю во все меньший и меньший объем. В какой-то момент гравитационное поле сжимает звездный остаток в «черную дыру». Название происходит от того факта, что даже свет не может избежать притяжения этого интенсивного гравитационного поля, если он проходит на расстоянии от черной дыры, известной как «горизонт событий».

История рентгеновской обсерватории Чандра. Двухнедельное наблюдение через оптический глаз рентгеновской обсерватории Чандра выявило этот потрясающий взрыв, происходящий в сверхмассивной черной дыре в центре Млечного Пути, известной как Стрелец А или Стрелец А*. 2003. Центр космических полетов имени Маршалла НАСА.

Черные дыры можно наблюдать и обнаруживать несколькими способами. Они оказывают сильное гравитационное воздействие на свое окружение, и мы можем измерять движения объектов, которые вращаются вокруг них, как и других звезд. Кроме того, гравитация черной дыры настолько сильна, что свет, проходящий вблизи их «горизонта событий», может преломляться, как будто линзой, изменяя положение или внешний вид звезд и галактик, находящихся дальше от Земли, чем черная дыра.

Черные дыры часто окружены другим материалом, например пылью или другими звездами. Сильная гравитация черной дыры может разорвать этот материал, генерируя интенсивное радио-, рентгеновское и гамма-излучение, и часть этого происходит над горизонтом событий, где он может ускользнуть, быть обнаруженным и измеренным.

Кроме того, наблюдения недавно продемонстрировали появление «гравитационного излучения», впервые предсказанного Эйнштейном, возникающего, когда черные дыры проходят рядом друг с другом или сталкиваются, по существу проталкивая волну растянутого и сжатого пространства-времени через Вселенную.

В течение многих лет можно было обнаруживать черные дыры и измерять их эффекты, но они не наблюдались напрямую. Но в 2019 году черная дыра и ее тень впервые были запечатлены на снимке. Этот исторический подвиг включал в себя сеть из восьми наземных радиотелескопов по всему миру, которые работали вместе, как если бы они были одним телескопом размером со всю нашу планету. Эта сеть известна как Телескоп горизонта событий.

Визуализация НАСА показывает искаженный мир черной дыры. Эта визуализация черной дыры иллюстрирует, как ее гравитация искажает наш взгляд, деформируя ее окружение, как если бы мы видели ее в карнавальном зеркале. Визуализация имитирует появление черной дыры, в которой падающая материя собирается в тонкую горячую структуру, называемую аккреционным диском. Чрезвычайная гравитация черной дыры искажает свет, излучаемый различными областями диска, создавая деформированный вид. 2019. Джереми Шнитман, Центр космических полетов имени Годдарда НАСА.

Несмотря на все, что было открыто о черных дырах, у ученых все еще есть много волнующих и оставшихся без ответа вопросов — каковы условия внутри горизонта событий, особенно вблизи «сингулярности» в центре черной дыры? В этом регионе высокая плотность материала создает условия, не похожие ни на что другое в известной Вселенной. Ученые также предположили, что черные дыры могут со временем «испаряться», медленно рассеиваться и в конечном итоге исчезать, но это явление никогда не наблюдалось напрямую. Кроме того, ученые изучают, можно ли уничтожить информацию, проникнув в черную дыру, или существуют механизмы, с помощью которых информация может быть «переработана» и сохранена в видимой Вселенной. Эти и многие другие вопросы будут занимать наблюдателей и ученых на десятилетия вперед.

Опубликовано: 11/2020. Автор: Справочно-научный отдел Библиотеки Конгресса

.

Связанные веб-сайты

  • ESO: Европейская южная обсерватория

    Внешний

    ESO осуществляет амбициозную программу, направленную на проектирование, строительство и эксплуатацию мощных наземных средств наблюдения для астрономии, чтобы сделать возможными важные научные открытия.

  • Телескоп горизонта событий

    Внешний

    Телескоп горизонта событий (EHT) — это международное сотрудничество, пытающееся получить изображения черных дыр с использованием глобальной сети радиотелескопов. Первое изображение черной дыры в центре галактики Мессье 87 было опубликовано коллаборацией EHT 10 апреля 2019 года.

  • Гамма-всплески и рождение черных дыр

    Веб-трансляция Библиотеки Конгресса — доктор Нил Герелс из НАСА обсуждает черные дыры. 16 февраля 2011 г.

  • Наука о межзвездном пространстве: жизнь на планетах вокруг черных дыр

    Веб-трансляция Библиотеки Конгресса — Джереми Шнитман обсуждает «зону обитаемости» вокруг сверхмассивных черных дыр. 3 мая 2016 г.

  • Изображение черной дыры вошло в историю

    НАСА – Черная дыра и ее тень впервые были запечатлены на изображении, что стало историческим достижением международной сети радиотелескопов под названием Event Horizon Telescope (EHT).

  • Черные дыры

    Последние новости и информация НАСА, связанные с черными дырами.

  • Что такое черная дыра?

    Из NASA известно, что K-4 Science Series — черная дыра — это место в космосе, где гравитация притягивает так сильно, что даже свет не может выбраться.

  • Жизнь и смерть звезд

    Вселенная НАСА 101 — Астрономы считают, что молекулярные облака, плотные облака газа, расположенные в основном в спиральных рукавах галактик, являются местом рождения звезд.

  • Черные дыры

    NASA Science: Вселенная — черная дыра — это что угодно, только не пустое пространство!

  • Что такое черная дыра?

    NASA Space Place — узнайте, что такое черная дыра и как они могут образовываться, из этого видео НАСА.

  • Телескопы ESO зафиксировали последние мгновения жизни звезды, поглощенной черной дырой

    Внешний

    Science Daily: Science News — Астрономы заметили редкую вспышку света от звезды, которую разрывает на части сверхмассивная черная дыра. 12 октября 2020 г.

Дополнительная литература

  • Гольдштейн, Маргарет Дж. Тайны черных дыр. Миннеаполис: Lerner Publications, 2020. (Юные читатели)
  • Губсер, Стивен Скотт и Франс Преториус. Маленькая книга черных дыр. Принстон: Издательство Принстонского университета, 2017.
  • Импи, Крис. Чудовища Эйнштейна: жизнь и времена черных дыр. Нью-Йорк: В.В. Нортон и компания, 2019.
  • Курц, Кевин. Передовые исследования черных дыр. Миннеаполис: Lerner Publications, 2020. (Юные читатели)
  • Латта, Сара Л. Черные дыры: странная наука о самых загадочных объектах во Вселенной. Миннеаполис: Twenty-First Century Books, 2018. (Юные читатели)
  • Левин, Жанна.