Черная дыра в космосе как выглядит: Черные дыры в космосе их фотографии |

Содержание

Ученые получили самые детальные изображения галактик. По ним можно наблюдать за деятельностью черных дыр

18 августа 2021

Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.

Автор фото, R. Timmerman/LOFAR

Подпись к фото,

Сверхмассивная черная дыра в центре галактики, которая слабо видна в центре изображения, выбрасывает струи вещества в космос

Астрономы опубликовали самые подробные из когда-либо виденных изображений галактик за пределами нашей собственной.

Изображения были созданы на основе данных, собранных радиотелескопом Low-Frequency Array (LOFAR, низкочастотная антенная решетка) после почти десятилетней работы.

Таинственные радиоимпульсы из глубин космоса – что это?

LOFAR представляет собой сеть из более чем 70 тысяч небольших антенн, расположенных в девяти европейских странах, с центром в голландском городке Эксло.

Обычно комбинируются только сигналы антенн, расположенных в Нидерландах: таким образом получается радиотелескоп с собирающей «линзой» диаметром примерно 120 км.

Используя сигналы всех европейских антенн, ученые увеличили диаметр этой «линзы» почти до 2000 км, что обеспечивает 20-кратное увеличение разрешающей способности. Для сравнения, самый крупный из обычных радиотелескопов, российский РАТАН-600, начавший работать в 1974 году, имеет антенну диаметром «всего» около 600 метров.

Гигантский радиотелескоп смотрит на звезды с горного плато в Чили

Новые изображения имеют очень высокое разрешение и раскрывают внутреннее устройство галактик с беспрецедентной детализацией.

Многие изображения могут дать представление о роли черных дыр в формировании звезд и планет. Исследователи считают, что эти изображения изменят наше представление об эволюции галактик.

Радиоастрономия

На изображениях — радиоволны, излучаемые галактиками. Астрономам часто приходится изучать радиоволны от астрономических объектов, а не видимый свет, который они излучают: он слишком легко рассеивается в межзвездном пространстве в пути от источника до объектива телескопа.

Многие области космоса, в видимом спектре кажущиеся абсолютно пустыми и черными, активно излучают в других диапазонах: радио, ультрафиолетовом, инфракрасном, рентгеновском или излучают высокоэнергичные гамма-частицы.

Опубликован самый подробный рентген-снимок неба. Что на нем за пятна?

Радиотелескопы астрономы используют еще с 30-х годов прошлого века. Однако свести воедино сигналы с 70 тысяч антенн удалось впервые. Это позволило существенно улучшить разрешение снимков.

Автор фото, BBC News

Подпись к фото,

Радиосигналы принимают 70 тысяч антенн метровой высоты в девяти европейских странах

Сведение воедино сигналов от такого количества антенн — непростой процесс. Команда под руководством доктора Лии Морабито из Университета Дарема в Великобритании потратила шесть лет на разработку совершенно нового способа приема сигнала от каждой антенны, его оцифровки, передачи на центральный процессор, а затем объединения всех данных в изображения, которые не только представляют огромный научный интерес, но выглядят фантастически.

Для создания одного изображения необходимо оцифровать, передать в центральный процессор и затем объединить более 13 терабит необработанных данных в секунду. Обрабатывать такие огромные объемы данных приходится суперкомпьютерами. С их помощью всего за пару дней терабайты информации от этих антенн удается преобразовать в несколько гигабайт готовых к использованию данных.

Галактический джет

Изображение вверху страницы сделал один из членов команды доктора Морабито. На нем изображена едва видимая галактика, расположившаяся в центре струй вещества (астрономы называют их джетами) оранжевого цвета, испускаемых с обеих сторон, каждая из которых намного больше самой галактики.

В центре Млечного Пути найдены десятки черных дыр

Джеты образуются за счет взаимодействия вещества со сверхмассивной черной дырой в центре галактики. Из самой черной дыры назад хода нет ни веществу, ни излучению, однако в ее окрестностях за счет ее вращения возникают силы, выбрасывающие вещество в космос, иногда с огромными, околосветовыми скоростями.

Астрономы наблюдают джеты не в первый раз, но у этих есть одна особенность: темные полосы на джете справа, которые ранее не наблюдались. По мнению астрономов, эти полосы соответствуют периодам сравнительно низкой активности черной дыры, когда она «выплевывает» меньше вещества. Таким образом, изображение дает исследователям представление о «суточном ритме» черной дыры.

Автор фото, N. Ramirez-Olivencia/LOFAR

На фотографии выше изображены две сталкивающиеся галактики. Яркое пятно в левой — это взрывающиеся сверхновые, выбрасывающие в пространство перегретый газ и космическую пыль.

Автор фото, F. Sweijen/LOFA

Галактика на этом изображении испустила свет, когда Вселенной было всего 2,6 миллиарда лет. Выше и ниже — струи вещества, выброшенные черной дырой в ее центре. Обычно такие ранние галактики невозможно детально изучить. Но теперь астрономы впервые смогли рассмотреть структуру одной из них в радиодиапазоне, что позволяет лучше понять, как черные дыры взаимодействуют с окружающей средой.

«Фабрика на топливе из черных дыр»

Из этих изображений следует, что галактики — это не просто набор звезд. По словам доктора Нила Джексона из Манчестерского университета, это динамичные фабрики по производству солнца и планет, работающие на топливе из черных дыр.

«Стало ясно, что для того, чтобы понять эволюцию галактик, нам нужно понять природу черной дыры в их центре, потому что она, похоже, фундаментально влияет на их эволюцию, — говорит доктор Джексон. — Изображения с таким высоким разрешением позволяют нам увеличивать масштаб, чтобы увидеть, что на самом деле происходит, когда сверхмассивные черные дыры отбрасывают эти струи вещества в космос».

Автор фото, L. K. Morabito/L.K. Williams

Подпись к фото,

На фотографии слева изображена галактика, наблюдаемая в видимом свете. В середине — она же в радиодиапазоне, а справа — изображение с высоким разрешением

Доктор Морабито говорит, что подобные изображения помогают астрономам узнать, как на самом деле идут процессы, в результате которых родились звезды и планеты, в том числе и наша Солнечная система.

«Мы начинаем понимать, как эволюционируют галактики. И черные дыры — огромная часть этой эволюции, потому что джеты могут уносить с собой топливо, предназначенное для звездообразования. Двигаясь от центра галактики, они могут нарушать ее структуру. Они могут даже запускать процессы формирования звезд или наоборот, препятствовать им, уменьшая количество новых звезд «, — говорит она.

Лучшие фото звезд. Что нужно, чтобы так снять

По итогам первого набора результатов исследования опубликовано уже девять научных работ по динамике черных дыр в галактиках. Но это только начало. В течение следующих нескольких лет ученые собираются отсканировать миллионы галактик.

«Я думаю, нас определенно ждут сюрпризы. Когда вы начинаете делать что-то новое в астрономии, вы всегда обнаруживаете то, чего никогда не ожидали, и именно этого я жду с нетерпением». — говорит доктор Морабито.

Хотите быть в курсе последних событий? Подписывайтесь на наш Telegram-канал

Что будет, если попасть в чёрную дыру

12 апреляЖизнь

Если космонавт приблизится к чёрной дыре, перспективы у него не очень радужные.

Если отвечать коротко, то он умрёт. Более развёрнуто — точно неизвестно, что произойдёт. Наука может только строить догадки. Но ничего особо приятного не будет, уж поверьте.

На почтительном расстоянии чёрная дыра ведёт себя как звезда схожей массы — вокруг неё можно выйти на стабильную орбиту и вращаться там годами. По предположениям^{M. Lingam, I. Ginsburg, and S. Bialy. Active Galactic Nuclei: Boon or Bane for Biota? / The Astrophysical Journal учёных, там даже обитаемые планеты могут существовать. Но чем ближе к дыре, тем больше будет проблем.}

Человека убьёт радиация

Чёрная дыра с аккреционным диском и «короной» — потоком энергетических рентгеновских частиц. Художественный концепт. Изображение: NASA/JPL‑Caltech

Если вы полагаете, что чёрная дыра навредит человеку, только когда тот пересечёт горизонт событий (граница вокруг дыры, из‑за которой не может вернуться даже свет), то ошибаетесь. Трудности начнутся куда раньше, причём в буквальном смысле убийственные.

Чёрные дыры редко бывают одиноки. Как правило, они окружены огромной кучей материи — газа^{Michael A. Nowak, Robert V. Wagoner. Diskoseismology: Probing accretion disks. Trapped adiabatic oscillations / Astrophysical Journal, который остался после того, как дыра закусила какой‑нибудь звездой. Газ летает по орбите с огромной скоростью, поэтому имеет чудовищную кинетическую энергию и разогревается до гигантских температур.}

Эта быстро вращающаяся и испепеляюще горячая штука вокруг чёрной дыры называется аккреционным диском.

Зрители фильма «Интерстеллар» знают, как должен выглядеть аккреционный диск. Сама чёрная дыра невидима, поскольку поглощает любой свет, который на неё падает, а вот водоворот вещества вокруг неё можно разглядеть. Именно аккреционный диск — та светящаяся оранжевая штука, которую засняли^{First Image of a Black Hole / European Southern Observatory телескопы проекта Event Horizon Telescope в апреле 2019 года.}

Первый снимок чёрной дыры. Изображение: The Event Horizon Telescope Collaboration

Аккреционные диски чёрных дыр испускают мощное электромагнитное излучение^{Discovery of Gamma Rays from the Edge of a Black Hole / Max Planck Society. Энергия рентгеновских и гамма‑лучей в миллион миллионов раз превышает энергию видимого света.}

Кроме того, теоретически сама чёрная дыра тоже может фонить излучением Хокинга. Правда, насчёт этого астрофизики ещё не уверены и мощность радиации пренебрежительно мала^{E. Siegel. This Is Why We’ll Never Detect Hawking Radiation From An Actual Black Hole / Forbes.}

Все эти потоки заряженных частиц, которые чёрная дыра разбрасывает на сотни световых лет вокруг себя, вряд ли добавят здоровья. Небесное тело прикончит человека ещё на подлёте обычной радиацией, не прибегая к нарушениям топологии пространства и искривлениям времени.

Его сожжёт вещество аккреционного диска

Движение материи в аккреционном диске чёрной дыры. Визуализация NASA. Изображение: NASA’s Goddard Space Flight Center / Jeremy Schnittman

Предположим, что космонавт заблаговременно позаботился о радиационной безопасности — например, надел пальто со свинцовой подкладкой толщиной в метр поверх скафандра. И, полный решимости узнать, что находится в таинственных недрах чёрной дыры, продолжает свободное падение к ней.

Но исследователя поджидает очередное препятствие, а именно: уже знакомый нам аккреционный диск. Он состоит из очень горячего газа.

Диск нагревается, когда частицы газа соударяются друг с другом, нарезая круги с бешеной скоростью вокруг чёрной дыры. Кинетическая энергия переходит в тепловую, и неплохо так переходит — вещество вблизи средней чёрной дыры может разогреваться^{Michael A. Nowak, Robert V. Wagoner. Diskoseismology: Probing accretion disks. Trapped adiabatic oscillations / Astrophysical Journal до миллионов или даже триллионов кельвинов. Это чуть выше, чем, к примеру, температура нашего Солнца — 5 778 К на поверхности, 15 млн К в ядре.}

Наверное, не стоит напоминать, что пролетать сквозь потоки раскалённой плазмы небезопасно. Если человека убьёт не радиация, то высокая температура.

Вообще, аккреционные диски сверхмассивных чёрных дыр в центрах галактик — одни из наиболее ярких объектов в космосе. Они называются «квазары». Самый горячий из них, J043947.08+163415.7, жарит как 600 триллионов^{Hubble sees the brightest quasar in the early Universe / ESA Hubble нормальных жёлтых карликов вроде Солнца, если бы те сговорились и выступили разом.}

Сверхмассивная чёрная дыра в центре галактики Messier 87 посылает лучи плазмы и разрушения в окружающий космос. Изображение: NASA / The Hubble Heritage Team (STScI / AURA)

Периодически, кстати, чёрные дыры посылают^{J. H. Beall. A Review of Astrophysical Jets / Frascati Workshop во Вселенную релятивистские струи, или джеты, — потоки плазмы на околосветовой скорости, обычно парные, направленные с полюсов в противоположные стороны.}

Астрофизики пока ещё спорят, почему такое происходит, но похоже, магнитные поля вокруг дыры вытворяют что‑то интересное с газом в аккреционном диске. Джет^{A. Tchekhovskoy, O. Bromberg. Three‑dimensional relativistic MHD simulations of active galactic nuclei jets: magnetic kink instability and Fanaroff — Riley dichotomy / Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters может извергаться от 10 до 100 миллионов лет непрерывно.}

Так что, падая на чёрную дыру, человеку надо избегать её полюсов, чтобы не попасть ещё и под релятивистские струи.

Его спагеттифицирует

Голодающая чёрная дыра в центре галактики Markarian 1018. Изображение: NASA / ESA / CARS Survey

Ввиду вышесказанного, наверное, лучше будет совершить путешествие в чёрную дыру без аккреционного диска. Такие тоже бывают — если по соседству нет звёзд, из которых можно выкачивать газ. То есть дыра их все уже благополучно поглотила.

К примеру, чёрная дыра в центре галактики Markarian 1018 засосала всё вещество вокруг себя и осталась без газа поблизости. Такие дыры астрофизики называют голодающими^{B. Husemann, T. Urrutia, G. R. Tremblay, M. Krumpe, J. Dexter, G. Busch, F. Combes, S. M. Croom, T. A. Davis, A. Eckart, R. E. McElroy, M. Perez‑Torres, M. Powell, J. Scharwächter. What is causing Mrk 1018’s return to the shadows after 30 years? / Astronomy & Astrophysics. Бедняжки.}

Или сверхмассивная дыра Стрелец A в центре нашего Млечного Пути — она имеет крайне маленький, слабозаметный диск^{1. Supermassive Black Hole Sagittarius A* / NASA
2. Eliot Quataert, Ramesh Narayan, Mark J. Reid. What Is The Accretion Rate In Sagittarius A*? / The Astrophysical Journal. Поэтому за ней так тяжело вести наблюдения.}

В общем, вполне можно приблизиться к горизонту событий чёрной дыры, не сталкиваясь с потоками горячей плазмы.

Проблемы, которые возникнут у космонавта дальше, будут зависеть от размеров чёрной дыры.

Если человек будет падать на объект, имеющий массу, скажем, примерно как одна солнечная (в 332 946 раз превышающая массу Земли), то произойдёт вот что.

По мере приближения к этому интересному небесному телу будет возрастать и сила тяготения, с которой оно на человека воздействует. На определённом расстоянии от дыры получится так, что тяготение, оказываемое на ноги, будет многократно больше, чем тяготение, действующее на голову. Эта разница называется «приливная сила».

Результаты влияния этой силы описывает^{Нил Тайсон. Смерть в чёрной дыре и другие мелкие космические неприятности физик Нил Деграсс Тайсон в книге «Смерть в чёрной дыре и другие мелкие космические неприятности».}

Сверхмассивная чёрная дыра спагеттифицирует солнцеподобную звезду. Художественный концепт. Изображение: ESO / ESA / Hubble / M. Kornmesser

Сначала приливные силы чёрной дыры порвут космонавта пополам аккурат посередине туловища (если он, конечно, падает в дыру «солдатиком», а не боком). Потом ноги и туловище порвёт ещё пополам. Затем ещё раз. И так в геометрической прогрессии, пока на элементарные частицы не распадутся даже атомы, из которых жертва сделана. Затем весь этот поток частиц окажется за горизонтом событий.

Земля тоже создаёт приливную силу, действующую на ваше тело, но недостаточную, чтобы порвать вас, так что не переживайте.

Вот и всё. Явление в шутку называется «спагеттификация». Обычно приливные силы чёрных дыр спагеттифицируют звёзды, но и с людьми справятся.

Правда, есть один нюанс.

Произойдёт что‑нибудь ужасное, но мы не узнаем, что именно

Рентгеновская вспышка чёрной дыры Стрелец A в центре Млечного Пути. Изображение: NASA / CXC / Stanford / I. Zhuravleva

Приливные силы, как объясняет^{Нил Тайсон. Смерть в чёрной дыре и другие мелкие космические неприятности Нил Тайсон, возрастают тем больше, чем больше размер объекта по сравнению с расстоянием до центра дыры. Это значит, что некрупная чёрная дыра разорвёт космонавта на куски и расщепит на атомы ещё на подлёте.}

А вот если чёрная дыра достаточно массивная и с огромным радиусом, её приливные силы начнут растягивать путешественника уже после того, как он пересечёт горизонт событий.

При этом, наверное, человек может даже выжить, говорит^{Leo Rodriguez. Could a human enter a black hole to study it? / The Conversation физик Лео Родригес, ведь горизонт событий — это не физический барьер, а просто граница гравитационного воздействия чёрной дыры, на которой вырваться из неё не способен даже свет.}

Перед самым падением за горизонт путешественник, возможно, успеет^{Ethan Siegel. What Would You See As You Fell Into A Black Hole? / Forbes увидеть, как весь свет окружающих звёзд исказится, а далее сожмётся в точку позади, которая станет сначала красной, потом белой, затем синей. Всё из‑за воздействия гравитации дыры на длины пролетающих мимо световых волн (это называется «синее смещение»).}

Визуализация падения в чёрную дыру. Точно изображает искажения неба вокруг, но не учитывает «посинения» картинки из‑за синего смещения. Видео: SkitlerRemix/Youtube

Но никто не может рассказать точно, что случится за горизонтом. Проблема в том, что там ещё и привычные нам законы физики не работают. Поэтому учёные могут только предполагать, что происходит с веществом в чёрной дыре.

Скорее всего, как считает^{Нил Тайсон. Смерть в чёрной дыре и другие мелкие космические неприятности Нил Тайсон, человека благополучно спагеттифицирует, просто не перед горизонтом событий, а за ним. Затем то, что осталось от путешественника, свалится в сингулярность — область пространства с бесконечной плотностью в центре дыры. Вот.}

Так что книжных полок и посланий морзянкой из прошлого, отправленных своей дочери, как в «Интерстелларе», не будет.

Изображение черной дыры.

Черные дыры в космосе: интересные факты и фото

Наука

Астрономы впервые опубликовали гипотетические изображения черной дыры
и сообщили, что, по их представлениям, этот загадочный космический объект должен выглядеть именно так. Однако следует признать, что никто из них никогда не сможет проверить свою теорию на практике.

Черные дыры в визуальном смысле не оправдывают в полной мере свое название — эти объекты на самом деле невидимы
, так как даже свет, попавший в них, не может избежать их гравитационного поля.

Однако ученые полагают, что границы черной дыры, то есть точка невозврата, которая называется горизонт событий

, должна быть видимой из-за радиации, излучаемой материалом, который поглощается.

На 221-й встрече Американского Астрономического Общества
ученые из Университета Калифорнии
в Беркли представили изображение, сделанное с помощью компьютера, сообщив, что именно так должна выглядеть черная дыра
:

Черная дыра Млечного пути (фото)

Изображение черной дыры Млечного пути, представленное Айманом Бином Камруддином из Калифорнийского Университета

Как видно на картинке, реальная черная дыра с границами имеет форму полумесяца
, а вовсе не бесформенного объекта или просто черного шара, как многие изображали ее ранее.

Окружающая черную дыру среда имеет довольно интересную физику и излучает свечение
, сказали астрономы. Технически мы не видим саму черную дыру, но можем представить, как выглядит горизонт событий.

Это изображение не просто догадки астрономов и их богатое воображение. Картинку создали на основе модели, которую ученые используют для интерпретации изображений, созданных с помощью нового оборудования
, которое сегодня находится в процессе разработки.

Представления художников о черной дыре обычно весьма примитивны

Новый проект под названием Телескоп «Горизонт Событий»
будет собирать данные по всемирной сети, полученные радио телескопами из разных уголков света
, чтобы затем можно было изобразить объекты, которые являются слишком крошечными, чтобы их можно было увидеть, или вообще не доступны глазу человека.

Новый телескоп уже сделал ряд предварительных измерений и собрал первые данные относительно черной дыры в центре нашей галактики Млечного пути, известной как Стрелец A

.

Исследователи проверили полученные данные с помощью разных моделей и пришли к выводу, что черная дыра, вернее, то, что ее окружает, имеет форму полумесяца, а не чего-то другого. Это форма отражает «пончикообразный» диск из материала
, который вращается вокруг черной дыры и в одном месте засасывается в нее.

Газ вращается вокруг черной дыры, а сторона, которая направлена в сторону наблюдателей с Земли, будет казаться ярче
с силу особых космических процессов. Другая сторона при этом будет более темной
. В центре полумесяца находится темный круг, который представляет собой саму черную дыру.

Центр Млечного пути с черной дырой Стрелец А. Снимок сделан с помощью космического телескопа «Чандра» НАСА

Первые изображения черной дыры Стрельца А, по мнению астрономов, помогут им определить массу этого объекта
, который находится в центре нашей галактики, а также проверить некоторые аспекты общей теории относительности, которые остаются под сомнением.

Другие уникальные изображения космических объектов и черных дыр

Многие космические объекты с помощью современной техники можно заснять на фото
. Эти снимки и изображения представляют большую ценность для астрономов, которые с их помощью делают многие открытие. Предлагаем вам познакомиться с самыми любопытными снимками
, сделанными с помощью телескопов за последние пару десятков лет.

Астрономы опубликовали снимки очень далеких уголков космоса, сделанные с помощью космического телескопа НАСА «Спицер»
. На снимках изображены очень далекие объекты
, в том числе супермассивные черные дыры, вернее не сами дыры, а окружающий их материал.

Рентгеновское излучение, исходящее из нагретого материала, падающего в черную дыру

Следы черной дыры во Вселенной

Яркий «зигзаг» справа — вовсе не работа художника-авангардиста, а подпись супермассивной черной дыры
в центре галактики М84
, полученная с помощью спектрографа космического телескопа. Эта подпись представляет собой движение газа, пойманного гравитационными силами черной дыры
. Слева показано изображение центра галактики, где предположительно «обитает» черная дыра.

Ядро галактики М84, снятое космическим телескопом НАСА «Хаббл»

Черная дыра в космосе

Гравитационные силы предполагаемой черной дыры образуют диск, похожий на тарелку для игры во фрисби
, который состоит из холодного газа и находится в центре галактики. Позже наблюдения с помощью «Хаббла» подтвердили существование огромных черных дыр, которые поглощают все вокруг, даже свет.

Кольцо вокруг предполагаемой черной дыры галактики NGC 4261

Звездное скопление с черной дырой

На этом снимке видно звездное скопление G1, крупный шар из света, который состоит из не менее 300 тысяч старых звезд
. Этот объект также часто называют скоплением Андромеды
, так как оно находится в галактике Андромеда
, ближайшей спиральной галактике от Млечного пути.

Шаровое звездное скопление в соседней галактике. Снимок сделан с помощью космического телескопа «Хаббл» в 1996 году

Большая черная дыра

Гигантская черная дыра может «выпускать» огромные пузыри горячего газа
в космическое пространство. По крайней мере, такое странное свойство замечено у черной дыры в центре галактики NGC 4438
. Эта галактика относится к группе пекулярных галактик
, то есть галактик, имеющих неправильную форму. Она расположена в районе созвездия Девы
и находится в 50 миллионах лет от нас
. Пузыри на самом деле представляют собой диск из материала, поглощаемого черной дырой.

Черная дыра, «надувающая» невероятно горячие пузыри газа, которые являются следствием больших аппетитов черной дыры. Пузырь имеет диаметр около 800 световых лет

Эллиптическая галактика с массивной черной дырой

Этот снимок изображает центральную часть эллиптической галактики М87
с сопутствующей ей струей. Увеличение яркости галактики к центру, что можно заметить на изображении, говорит о том, что звезды сконцентрированы в районе ядра
и удерживаются там гравитационным полем массивной черной дыры. Плазменная струя, которую также видно на снимке и источником которой является горячий газовый диск вокруг черной дыры, имеет длину около 5 тысяч световых лет
.

Фото телескопа НАСА, сделанное 1 июня 1991 года, на котором изображен центр галактики М87 со струей

Звездное скопление с умирающей звездой

Расположенное на расстоянии около 40 тысяч световых лет
от Земли в районе созвездия Пегас скопление М15
является одним из 150 известных шаровых звездных скоплений, которые образуют гигантские светящиеся кольца
и окружают нашу галактику Млечный путь. Все эти скопления содержат сотни тысяч древних звезд. Если бы мы жили где-то в центре этого скопления, наше небо сияло бы тысячами звезд
, которые горели бы и днем, и ночью.

Звездное скопление М15 с умирающей звездой в центре. Снимок телескопа «Хаббл», который показывает скопление в реальных цветах

Как на самом деле выглядит черная дыра? Может, это действительно портал в иную вселенную? Или ее можно использовать для путешествий в пространстве и времени?Международная команда ученых, в которую, скорее всего, войдут и датчане, намерена сфотографировать черную дыру, чтобы увидеть, как она выглядит. Раньше не делалось ничего подобного.

Если удастся получить изображения черной дыры, мы приблизимся к пониманию природы этого загадочного явления, объясняет Уффе Грое Йоргенсен (Uffe Gråe Jørgensen) из Института Нилься Бора при Копенгагенском университете, который в настоящее время работает над включением Дании в проект.

«По-моему, это крайне интересно. Всегда здорово получить возможность проверить какие-то теории, а сейчас речь идет об исключительных теориях в связи с поведением света и материи в экстремальных условиях черной дыры», — говорит Уффе Грое Йоргенсен, преподаватель кафедры астрофизики и планетарных исследований.

Снимки черных дыр могут открыть новое поле исследований

Сфотографировать черную дыру — непростая задача. Для этого требуются правильные условия, так что ученые намерены воспользоваться новым Гренландским телескопом, который разместят на ледяном щите Гренландии.

Если удастся получить фотографии черной дыры, они могут открыть совершенно новое поле исследований, подтверждает не участвующий в проекте профессор Ульрик Ингерслев Уггерхёй (Ulrik Ingerslev Uggerhøj) из Института физики и астрономии при университете Орхуса.

«Это положит начало так называемой физике сильных полей под воздействием силы тяжести. Откроется новая область, напоминающая наблюдения за гравитационными волнами, о которых объявили в феврале. Если получится сделать снимок черной дыры, это будет такой же прорыв, как гравитационные волны», — комментирует профессор.

Ученые помогли смоделировать черную дыру в «Интерстелларе»

До сих пор черные дыры наблюдали лишь через оптические телескопы, которые не давали возможности изучить их структуру. В этих телескопах черные дыры выглядят как темное пятно. Так что все, что прежде удавалось увидеть, — это материя, поглощаемая дырой.

Черная дыра в фильме «Интерстеллар»

Новые субмиллиметровые телескопы имеют настолько высокое разрешение, что позволяют разглядеть структуру черных дыр, поясняет Уффе Грое Йоргенсен.

Субмиллиметровый телескоп имеет длину волны меньше одного миллиметра. Он представляет собой нечто среднее между оптическим и радиотелескопом. Субмиллимитровый телескоп различает более длинные волны, чем у обычного инфракрасного излучения, но не настолько длинные, как у радиоизлучения.

До сих пор было невозможно увидеть содержимое черных дыр, так что ученые выдвигают различные теории. Увидеть, как наука представляет себе черные дыры, можно в фильме «Интерстеллар» (Interstellar).

«Это прекрасная анимация, не имеющая аналогов. В создании фильма участвовали выдающиеся ученые-специалисты по проблеме черных дыр, так что в их интересах было создать корректную картину. Вероятно, все выглядит именно так, как в фильме», — говорит Уффе Грое Йоргенсен.

Гренландский телескоп будут использовать одновременно с другими

Чтобы сфотографировать черную дыру, Гренландский телескоп объединят с телескопами в Чили и на Гавайях. Одновременно все три телескопа будут функционировать как один большой аппарат, «диаметр» которого соответствует расстоянию между ними, то есть составит несколько тысяч километров.

Так что выбор телескопа на территории Гренландии не случаен, объясняет ученый.

«Объект, на который они нацелятся, должен одновременно наблюдаться из трех разных мест, удаленных друг от друга на максимально возможное расстояние. Нельзя использовать телескопы и в восточном, и в западном полушариях, потому что тогда не получится наблюдать точку на небе в одно и то же время».

Телескоп разместят на льду

В настоящее время Гренландский телескоп находится на борту корабля, следующего из США в Каанаак на севере Гренландии. Корабль прибудет на место в течение лета, после чего телескоп соберут и установят на высшей точке поверхности гренландского ледника, где наблюдаются идеальные погодные и климатические условия.

«Гренландский телескоп будет помещен на высоту более трех километров. Многие думают, что там, где есть лед, много воды и, следовательно, высокая влажность. Возможно, это представление связано с тем, что у нас в Дании исключительно влажные зимы с температурой в районе нуля градусов и мокрым снегом. В действительности, при температуре −30 градусов очень сухо, потому что вся вода конденсируется и превращается в снег. Так что эта вершина — отличное место, она расположена на большой высоте, и там очень сухо».

Изображения черных дыр появятся лишь через несколько лет

Гренландский телескоп будет введен в строй не раньше 2017 года, но когда это произойдет, мы надеемся узнать много нового о черных дырах, говорит преподаватель из Копенгагена.

«Нам мало что известно о черных дырах, и мы будем над этим работать. Каково их гравитационное поле? Что происходит с материей, когда ее затягивает в черную дыру? Один из интереснейших вопросов — это могут ли большие черные дыры в центре галактик быть путем в другие вселенные либо в другие точки времени-пространства. Вот об этом мы хотим узнать что-нибудь новое. Мы не собираемся прямо завтра начать полеты через черные дыры, смысл не в этом. Но в долгосрочной перспективе наша работа даст много новой информации, которая может привести туда, где мы еще не бывали».

Гренландский телескоп — не единственный, который датские ученые используют для наблюдения за черными дырами. Он лишь часть проекта под названием Event Horizon Telescope, объединяющего девять телескопов, каждый из которых выполняет одни и те же задачи.

Неважно, какому из них выпадет честь сделать первые снимки черной дыры. Но, как сообщает профессор Ульрик Ингерслев Уггерхёй, окончательный выбор будет сделан в ближайшее время.

«Вопрос лишь в том, сколько нам придется ждать, но, по моему мнению, велики шансы, что мы увидим снимок в ближайшие пять лет».

Проект вдохновит молодых гренландцев

Наблюдение за черными дырами — не единственная цель проекта, продолжает Уффе Грое Йоргенсен.

«Это не просто большой научный проект, но и прекрасная возможность попытаться повлиять на гренландское общество, пробудить интерес местной молодежи к науке, вдохновить Гренландию на развитие высоких технологий. Это очень важная задача».

Аллан Финних (Allan Finnich), координатор научных исследований в сфере здравоохранения Среднегренландской гимназии, тоже считает, что необходимо стимулировать интерес гренландцев к естественнонаучным дисциплинам.

«Во многом необходимо повышать естественнонаучный интерес. Гренландии нужны ученые в этой области, а их не очень много. Сейчас нет возможности получать такое образование в Гренландии, надо ехать в Данию, что тоже является помехой».

Когда устанавливают телескоп, 10 % времени наблюдения, как правило, предоставляют ученым принимающей стороны. Ученые рассчитывают, что студенты гренландских гимназий тоже получат такую возможность. Но наладить сотрудничество непросто, и пока еще не ясно, что именно проект принесет Гренландии.

Учитель гимназии: нужно больше естественных наук

Если гренландским ученикам разрешат воспользоваться телескопом, интерес, несомненно, будет очень велик, считает научный координатор в сфере естественных наук Матиас Росдаль Йенсен (Mathias Rosdal Jensen).

«Думаю, это было бы очень интересно ученикам, ведь речь идет о собственном продукте Гренландии. Сейчас в стране множество датских или связанных с Данией обучающих материалов».

Уффе Грое Йоргенсен надеется, что телескоп станет источником вдохновения для молодых гренландцев.

«Прекрасная цель проекта с телескопом — развивать интерес и привлекать больше молодежи в сферу естественных наук».

Международная команда ученых, в которую, скорее всего, войдут и датчане, намерена сфотографировать черную дыру, чтобы увидеть, как она выглядит. Раньше не делалось ничего подобного.

Forbes 23.06.2016

Scientific American 26.05.2016

Forbes 29.04.2016

Субмиллиметровый телескоп имеет длину волны меньше одного миллиметра. Он представляет собой нечто среднее между оптическим и радиотелескопом. Субмиллимитровый телескоп различает более длинные волны, чем у обычного инфракрасного излучения, но не настолько длинные, как у радиоизлучения.

Гренландский телескоп будут использовать одновременно с другими

Так что выбор телескопа на территории Гренландии не случаен, объясняет ученый.

Проект вдохновит молодых гренландцев

Наблюдение за черными дырами — не единственная цель проекта, продолжает Уффе Грое Йоргенсен.

Учитель гимназии: нужно больше естественных наук

Уффе Грое Йоргенсен надеется, что телескоп станет источником вдохновения для молодых гренландцев.

Китай запустил на орбиту первый телескоп работы с жестким рентгеновским излучением, который поможет астрономам в изучении чёрных дыр. Об этом сообщило агентство Синьхуа.

Телескоп весом 2,5 тонны в настоящий момент находится на орбите на высоте 550 км. По словам директора лаборатории по астрофизическим измерениям Китайской академии наук (КАН) Чжан Шуаннань,
помимо уже известных науке дыр астрономы рассчитывают обнаружить новые аналогичные космические объекты.

«Черные дыры представляют для науки большой интерес и потому будут занимать центральное место в рамках нашей исследовательской деятельности. Они выступают в качестве источника различных видов излучения, в том числе рентгеновского, а также космических лучей с высокой энергией, мощных ее выплесков», — пояснил Шуаннань.

Что представляет собой черная дыра?

Черная дыра — это область в пространстве и времени, характеризующаяся крайне большим гравитационным притяжением. Она как магнит притягивает к себе объекты, движущиеся с максимально возможной скоростью, в том числе мельчайшие частицы и электромагнитное излучение. Покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света.

Существует несколько теорий возникновения черных дых. Согласно одной из них, эти небесные тела возникают при взрыве крупных звезд.

Как она выглядит?

Как выглядит чёрная дыра, на самом деле пока не знает никто. Возможно, это так и останется вопросом, на который человечество никогда не сможет дать достоверного ответа. Дело в том, что черные дыры невидимы, так как даже свет, попавший в них, не может избежать их гравитационного поля.

Однако астрономы считают, что границы черной дыры должны быть видимы из-за радиации, излучаемой материалом, который поглощается. На 221-й встрече Американского Астрономического Общества ученые из Университета Калифорнии в Беркли представили гипотетические изображения такого объекта, сделанное с помощью компьютера. По их мнению, чёрная дыра вовсе не бесформенна, а имеет форму полумесяца. Это происходит потому, что сторона, обращенная к наблюдателю, по особым космическим причинам, всегда ярче обратной стороны. Темный круг, находящийся в центре полумесяца и есть черная дыра.

Как наблюдают чёрные дыры?

Таким образом, увидеть черную дыру в телескоп невозможно. Их обнаруживают благодаря свечению в районе горизонта событий. Так первая чёрная дыра была обнаружена в 1972 году благодаря тому, что она выступала в качестве источника мощного рентгеновского излучения.

Если чёрная дыра поглотила все вещество, которое её окружало, то её можно увидеть только через искажение лучей света от дальних звезд. «Если бы такие области не проявляли активность, мы бы их не могли обнаружить. Но когда в черную дыру попадает какой-то объект, он разгоняется, разогревается и начинает производить рентгеновское излучение, при анализе которого можно представить, что она собой представляет», — пояснил Чжан Шуаннань.

Однако, даже зафиксировав подобное излучение, астрономы не могут быть абсолютно уверены, что перед ними чёрная дыра, а не просто массивное, несветящееся тело. Считается, что помимо излучения, такие объекты можно обнаружить благодаря окружающим их облакам, которые содержат элементарные частицы, пыль, газы, метеориты, планеты и даже звезды.

Во второй половине двадцатого века впервые появилось понятие «черной дыры». Изобретатель данного термина – Джон Арчибальд Уилер.

Черная дыра – это некая часть пространства и времени, которая имеет слишком большое гравитационное притяжение, в связи с чем выйти из неё не могут даже кванты света. Её параметры определяются такими понятиями, как гравитационный радиус и горизонт событий.

Что представляет собой черная дыра?

Черная дыра в широком смысле – это полностью чёрный объект. Кроме того, об этом явлении известно не так уж много, но абсолютно точно можно сказать, что её не видно. Астрономы могут говорить о появлении ее только тогда, когда появляется особое свечение на горизонте событий. У учёных есть две теории на этот счет.

Черная дыра поглощает в себя частицы, скорость которых значительно уменьшается по мере того, как они все ближе и ближе подходят к точке невозврата. Данная картина представляет из себя диффузное облако, в котором быстро повышается плотность. В это время проходящие мимо чёрной дыры световые кванты изменяют свой путь движения. Чаще всего этот процесс происходит достаточно мощно, и в связи с этим свет не сразу попадает внутрь. В результате таких событий происходит появление светового кольца. Вопреки всем предположениям, учёные-астрономы считают, что всепоглощающая звезда имеет форму полумесяца. Они объясняют это явление тем, что та часть, которая видна наблюдающему по неизвестным причинам намного ярче, чем другая часть.

Как появляется черная дыра?

Черная дыра «рождается» двумя разными путями. Первый способ предполагает сильное сжатие звезды, второй – сжатие центра галактики, а также её газов. Помимо основных сценариев, существует предположение, что черные дыры возникли либо после Большого Взрыва, либо после появления большого количества энергии в ядре.

Черная дыра бывает нескольких разновидностей. Сверхмассивные черные дыры – это достаточно широкие участки, чаще всего они сосредоточены в центре Галактики. Первичные – дыры, которые, возможно, возникли во время отклонения различных космических параметров при образовании Вселенной. Квантовые черные дыры возникают, вероятнее всего, во время ядерных реакций, они очень маленьких размеров.

Учёный С. Хокинг считает, что черные дыры недолговечны, и время их «жизни» составляет примерно десять в шестидесятой степени лет. По мере «старения» пространство дыры уменьшается, оставляя в конце концов простейшие частицы.

Существует и абсолютно противоположное предположение о судьбе черной дыры – так называемая «белая дыра». Согласно гипотезе, она существует очень малое количество времени и затем исчезает, выпустив энергию. Многие ученые верят, что с помощью таких дыр можно перемещаться на огромное расстояние.

Почему черная дыра так выглядит / Хабр

Млечный Путь и расположение его центральной черной дыры на фоне Актакамской большой антенной решетки (ALMA)

Мы все полюбовались на фото тени черной дыры в центре нашей галактики, но ученые могли видеть близкое изображение сверхмассивный объектов на своих компьютерах еще с 70-х годов при помощи математических моделей.

Почему мы предсказали именно такое изображение и на сколько предсказание сбылось? Обсудим визуальную анатомию черных дыр!

Из чего состоит черная дыра?

Сингулярность

Когда физики рисуют каой-то объект то любят указать на рисунке и центр его масс. А в случае когда масса переваливает за определённый порог (примерно три солнечные массы) она со временем сожмется в точку.

Рисовать сингулярность, таким образом, очень удобно — центр масс это весь объект.

Все что происходит вокруг сингулярности — отличный природный эксперимент, все аспекты которого были точнейшим образом предсказаны теорией относительности. Легко объяснить какой-то опыт из прошлого, а вот предсказать результат эксперимента будущего — вот настоящее величие физики!

Однако, сама точка в которой находится вся масса сколлапсировавщей звезды не подчиняется законам относительности. Для нее нужна квантовая теория гравитации, которая пока не завершена. Так что мы не знаем, как бы она выглядела если бы можно было ее как-то рассмотреть.

Горизонт событий

Если бы сингулярности не было в природе, физикам стоило бы ее создать! Но, как и большинство самых интересных мест вселенной, сингулярность надежно скрыта горизонтом событий.

В проекции на фоне неба горизонт событий должен иметь вид идеально круглого черного диска, если черная дыра статична или слегка искаженного, если она вращается.

Из-за сильного гравитационного линзирования голые черные дыры могли бы оставлять заметные отпечатки на поле зрения телескопов: черные точки с искажениями по краям.

Однако, размеры горизонтов событий слишком малы по сравнению с расстояниями между космическими объектами, поэтому рассмотреть одинокую черную дыру без газа вокруг невозможно для современных методов.

Аккреционный диск

На расстоянии примерно в 2,6 раза больше горизонта событий начинается стабильная орбита яркого горящего газа. Аккреционный диск позволяет увидеть эффекты черной дыры на снимках.

Область внутри стабильной орбиты неизбежно захватит материю и та упадет в дыру не успев испустить свет. Именно эту область называют «тенью черной дыры».

Если мы смотрим на диск фронтально, то логично увидим круг. А вот в Интерстелларе мы смотрели на Гаргантюа под углом к плоскости аккреции.

При таком ракурсе мы должны видеть яркое кольцо, как вокруг Сатурна, только вокруг черной тени.

Моделирование 1989 года — аккреционный диск черной дыры с разных ракурсов

Свет от задней части аккреционного диска, которая скрыта от нас горизонтом событий летит по криволинейной траектории и у него так же как у материи есть своя стабильная орбита, ниже которой шансы достичь удаленного наблюдателя не высоки.

Свет огибает черную дыру и доходит до нас со стороны, которая должна быть не видна. В результате, вокруг черного круга мы видим как первичное изображение (самого аккреционного диска) так и вторичное — заднюю часть диска мы видим одновременно сверху и снизу в виде светящегося кольца.

Вообще, между стабильными орбитами материи и света излучение, испущенное газовым диском, может совершать множество витков вокруг горизонта событий, как спутники вращающиеся вокруг планет. Если бы удалось попасть туда, мы бы увидели бесчисленное множество вторичных изображений аккреционного диска со всех возможных ракурсов и из разного времени. Возможно, это самое поразительное зрелище во вселенной.

Черная дыра, окруженная ярким диском наблюдается с большого расстояния под углом 10° к плоскости диска

Интенсивность излучения диска зависит только от его температуры, а последняя зависит только от расстояния до черной дыры. Поэтому собственная яркость диска не может быть однородной. Максимальная светимость исходит от внутренних областей, близких к горизонту событий, потому что именно там газ самый горячий.

Кроме того, изображение воспринимаемое отдаленным наблюдателем будет сдвинуто по частоте и интенсивности за счет двух эффектов:

— Эйнштейна, при котором гравитационное поле снижает частоту и интенсивность;

— Доплера, при котором свет движущегося на нас газа будет ярче и более синим, а отдаляющегося темнее и более красным.

Симуляция эффектов Доплела и Эйнштейна для быстро вращающейся черной дыры; белые линии разделяют области синего и красного смещения

Предполагается, что внутренние частицы аккреционного диска двигаются с субсветовыми скоростями, что делает эффект Доплела существенным. В результате мы должны увидеть явно ассиметричное изображение, что является главным признаком именно черной дыры на снимке. Большая, но не сингулярная масса темной материи не должна заставлять газ вращаться на околосветовой скорости.

Жан-Пьер Люмине в 1979 году посчитал эффекты Доплела и Эйнштейна для каждой точки изображения аккреционного диска черной дыры, но графической программы не было на тот момент; Жан-Пьер нанес каждую точку изображения на лист бумаги тушью вручную и взял негатив фотографии бумажного листа

Ручная симуляция Люмине поразительно похожа на модель Кипа Торна для интерстеллара, но не очень похожа на реальную фотографию Стрельца А*.

Слева — модель 1979 года Жана-Пьера Люмине, справа — модель 2014 года Кипа Торна

Дело в том, что модели показывают излучение широкого спектра волн. Наверное, так будет выглядеть черная дыра вблизи для путешественника галактического масштаба. Однако мы — очень далёкий наблюдатель и для получения фото взяли только небольшой фрагмент спектра — миллиметровые радиоволны. До размера миллиметров вытянулись длины волн большей части спектра излучения аккреционного диска за счет эффектов Доплела и Эйнштейна.

Слева — модель 2017 года, по центру — фото Стрельца А*, справа — фото М87 улучшенное программно

Убрав лишние спектры из воспринимаемого нами излучения в 2017 году была получена модель в виде полумесяца, которая уже очень близка к реальной фотографии.

Увидим ли мы то же самое вживую?

Коротко — нет. Взгляд на видимую область вокруг черной дыры подобен взгляду на солнце — без фильтров и коронографов ничего не увидеть.

Цвета использованные в фотографии и симуляциях показывают физические эффекты, но не реалистичное видимое изображение.

Облако газа недостаточно оптически прозрачно чтобы наш глаз напрямую мог рассмотреть что-то кроме яркого пятна.

Да и условия для человека рядом с таким объектом не самые благоприятные.

В общем, хорошо что мы можем прикоснуться к величественному и опасному лишь силой своего разума.

Для более полного опыта таких прикосновений есть, например студенческий проект Эндрю Гамильтона из института Колорадо. На сайте выкладываются актуальные реалистичные симуляции путешествия в черную дыру: https://jila.colorado.edu/~ajsh/insidebh/intro.html

Приятного просмотра!

Источником для этой статьи послужила чудесная научная статься Жана-Пьера Люмине: https://arxiv.org/pdf/1902.11196.pdf

Другие вселенные кажутся нам чёрными дырами

29 декабря 2020
13:46

Анатолий Глянцев

Расширяющаяся Вселенная снаружи кажется чёрной дырой.

Иллюстрация Kavli IPMU.

В космосе должны быть чёрные дыры, оставшиеся с первой секунды существования Вселенной.

Иллюстрация Pixabay

Чёрная дыра в роли гравитационной линзы может создать заметную для телескопа вспышку.

Иллюстрация Kavli IPMU/HSC Collaboration.

Схема гравитационного линзирования звезды в галактике Андромеды первичной чёрной дырой.

Иллюстрация Kavli IPMU/HSC Collaboration.

Астрономы заявляют: некоторые чёрные дыры на самом деле могут быть другими вселенными с галактиками, планетами и разумной жизнью. И мы можем начать поиск таких вселенных прямо сейчас.

Некоторые чёрные дыры на самом деле могут быть другими вселенными. В них, возможно, имеются собственные галактики, планеты и разумная жизнь. Но всё это доступно лишь тем, кто находится внутри этого отдельного космоса. Обитатели же нашего мира видят чужую бесконечную вселенную как чёрную дыру скромных размеров.

Мы можем находить подобные дыры-вселенные уже с помощью действующих телескопов. И, что ещё более удивительно, именно из таких «свёрнутых миров» может состоять тёмная материя.

Такие неожиданные выводы сделаны в научной статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters учёными из США, Японии и с острова Тайвань.

Богатые внутренние миры

Вести.Ru подробно рассказывали о теории мультивселенной. Напомним в двух словах, о чём речь.

Согласно законам квантовой физики, даже в пустоте энергия не может быть постоянно равна нулю. Она постоянно испытывает колебания и равна нулю лишь в среднем. Размах этих колебаний обычно очень мал, но исключительно редко могут происходить и крупные возмущения.

Как считает большинство специалистов, особенно крупное возмущение, случившееся 13,8 миллиарда лет назад, породило всю наблюдаемую Вселенную. Оно вызвало взрывное расширение пространства и появление материи в её нынешнем виде. Начало этого катастрофического расширения известно нам как Большой взрыв.

Вышеизложенную картину нельзя назвать общепринятой. Но всё же это самый популярный среди специалистов ответ на вопрос, что привело к Большому взрыву. А вот дальше начинаются более спорные, но очень заманчивые построения.

Некоторые теоретики считают вполне возможным, что возмущения, порождающие вселенные, происходили неоднократно. Вселенные появлялись внутри уже существующих миров, в том числе и нашего.

В таком «дочернем космосе» может возникнуть собственная материя, а также галактики, звёзды и разумные существа. Однако всё это можно заметить только изнутри. Для нас же, находящихся снаружи, он будет выглядеть как заурядная чёрная дыра. Мы никак не сможем попасть в пространство-время другой вселенной. Её обитателям тоже останется лишь догадываться о нашем существовании.

Может случиться и так, что возмущение, породившее новую вселенную, окажется слишком слабым. В этом случае она остановит своё расширение и схлопнется. В нашем мире на этом месте опять-таки возникнет чёрная дыра. Только на сей раз это будет просто чёрная дыра без всяких миров внутри.

В космосе должны быть чёрные дыры, оставшиеся с первой секунды существования Вселенной.

Иллюстрация Pixabay

Ровесники космоса

Впрочем, рождение других вселенных внутри нашей – далеко не единственный процесс, порождающий чёрные дыры в начале времён. Есть и другие сценарии, и некоторые из них считаются неизбежными. Поэтому почти все космологи согласны с тем, что в первую секунду после Большого взрыва образовалось множество чёрных дыр. Это так называемые первичные чёрные дыры (ПЧД).

Такие тела имели самые разные массы, от ничтожных долей грамма до сотен тысяч солнц. Впрочем, до наших дней могли дотянуть только объекты массой с крупный астероид и выше. Все остальные уже испарились из-за излучения Хокинга.

Если бы наблюдатели открыли хотя бы одну чёрную дыру с массой меньше, чем у звезды, можно было бы с уверенностью сказать, что она первичная. Дело в том, что в современной Вселенной ничто не порождает настолько лёгких чёрных дыр. Однако подобные объекты ещё никогда не наблюдались. Это, впрочем, неудивительно: чёрные дыры вообще трудно обнаружить, а уж тем более если они не очень массивны. Пока есть лишь ограничения на численность первичных чёрных дыр по принципу «если бы их было больше, мы бы уже это заметили».

Тёмные тайны

Астрономы стремятся открыть ПЧД по многим причинам. Одна из них состоит в том, что эти чёрные объекты – естественный кандидат на роль тёмной материи.

Мы подробно рассказывали о том, что это такое. Напомним, что тёмная материя проявляет себя только своей гравитацией. Её притяжение действует на звёзды и галактики, искривляет лучи далёких светил и так далее. Но что представляет собой это тяготеющее вещество? Мы до сих пор этого не знаем. Однако раз уж теоретики уверены в существовании первичных чёрных дыр, логично предположить, что они составляют как минимум часть тёмной материи.

Эксперты расходятся во мнениях, какая это часть. По данным некоторых исследований, на долю ПЧД приходится в лучшем случае доли процента от всей тёмной материи, иначе наблюдатели уже заметили бы их. Однако другие расчёты показывают, что первичные чёрные дыры с массой меньше лунной могли бы составлять всю тёмную материю, и астрономам всё ещё было бы непросто их обнаружить.

Чёрная дыра в роли гравитационной линзы может создать заметную для телескопа вспышку.

Иллюстрация Kavli IPMU/HSC Collaboration.

Охота за вселенными

Авторы нового исследования пошли ещё дальше. По их расчётам, один только процесс образования дочерних вселенных может породить всю тёмную материю. Согласно этой модели, она состоит из сохранившихся вселенных, для нас выглядящих как чёрные дыры, и настоящих ПЧД, возникших на месте схлопнувшихся дочерних вселенных.

Более того, астрономы заключили, что мы вполне в состоянии найти подобные объекты с помощью действующего телескопа Subaru диаметром 8,2 метра. Этот инструмент может каждые несколько минут фотографировать всю галактику Андромеды и различать на изображениях сто миллионов звёзд.

Если чёрная дыра или «закапсулированная» дочерняя вселенная проходит между светилом и телескопом, она работает как гравитационная линза. Наблюдатель видит, как яркость звезды внезапно повышается. Такие вспышки и будут служить индикаторами, сигнализирующими о существовании первичных чёрных дыр или внешне неотличимых от них вселенных.

Схема гравитационного линзирования звезды в галактике Андромеды первичной чёрной дырой.

Иллюстрация Kavli IPMU/HSC Collaboration.

К слову, одно похожее событие на Subaru уже наблюдалось. Наблюдатели зафиксировали нечто похожее на прохождение чёрной дыры, сопоставимой по массе с Луной. Однако экспертам не хватило данных, чтобы сделать окончательный вывод о природе явления.

Авторы считают, что систематический мониторинг галактики Андромеды с помощью Subaru мог бы проверить их теорию. Модель предсказывает, насколько часто телескоп должен обнаруживать гравитационное линзирование, если оно действительно порождено «вселенными в виде чёрных дыр». А значит, наблюдения помогут понять, согласуется ли эта теория с фактами.

К слову, ранее Вести.Ru рассказывали о том, как отличить чёрные дыры от кротовых нор. Писали мы и о поисках чёрных дыр из гипотетической предыдущей вселенной.

наука
космос
астрономия
Вселенная
космология
черные дыры
новости

откуда она возникает. Какие бывают и как образуются черные дыры

Такое название она получила из-за того, что поглощает свет, но не отражает его как другие объекты. На самом деле фактов про черные дыры существует множество, и о некоторых самых интересных мы сегодня расскажем. До относительно недавнего времени считалось, что черная дыра в космосе
всасывает в себя все, что рядом с ней находится или пролетает: планеты мусор, но, недавно ученые стали утверждать — содержимое через некоторое время «выплевывается» обратно, только совершенно в другом виде. Если вас интересуют черные дыры в космосе интересные факты
о них мы сегодня расскажем подробнее.

Существует ли угроза для Земли?

Есть две черные дыры, которые могут представлять реальную угрозу нашей планете, но находятся они, к счастью, для нас далеко на расстоянии примерно 1600 световых лет. Ученые смогли обнаружить эти объекты только потому, что находились они вблизи Солнечной Системы и специальные приборы, улавливающие рентгеновские лучи, смогли их увидеть. Есть предположение, что огромная сила гравитации способна повлиять на черные дыры таким образом, что они сольются в одну.

Вряд ли кто-то из современников сможет застать тот момент, когда эти таинственные объекты исчезнут. Настолько медленно происходит процесс гибели дыр.

Черная дыра — это звезда в прошлом

Как образуются черные дыры в космосе
? Звезды имеют внушительный запас термоядерного топлива, из-за чего они и светятся так ярко. Но все ресурсы заканчиваются, и звезда охлаждается, постепенно теряя свое свечение и превращаясь в черного карлика. Известно, что в остывшей звезде происходит процесс сжатия, в итоге она взрывается, а ее частицы разлетаются на огромные расстояния в космосе, притягивая соседние объекты, тем самым увеличивая размер черной дыры.

Самое интересное про черные дыры в космосе
нам еще предстоит изучить, но удивительно, плотность ее, несмотря на внушительные размеры, может равняться плотности воздуха. Это говорит о том, что даже самые крупные объекты космоса могут иметь такой же вес, как воздух, то есть быть невероятно легкими. Вот как появляются черные дыры в космосе
.

Время в самой черной дыре и возле течет очень медленно, поэтому объекты, пролетающие рядом замедляют свое движение. Причиной всему огромная сила гравитации, еще более удивительный факт, все процессы, происходящие в самой дыре, имеют невероятную скорость. Допустим, если наблюдать за тем как выглядит черная дыра в космосе
, находясь за границами всепоглощающей массы, кажется, что все стоит на месте. Однако стоит только попасть внутрь объекту, его в мгновение бы разорвало. Сегодня нам показывают, как выглядит черная дыра в космосе фото
, смоделированное специальными программами.

Определение черной дыры?

Теперь мы знаем откуда берутся черные дыры в космосе
. Но что в них еще особенного? Сказать, что черная дыра — это планета или звезда невозможно априори, потому что это тело не газовое и не твердое. Это объект, который способен искажать не только ширину, длину и высоту, но и временную шкалу. Что совершенно не поддается физическим законам. Ученые утверждают, что время в районе горизонта пространственной единицы может двигаться вперед и назад. Что находится в черной дыре в космосе
невозможно себе представить, световые кванты, попадающие туда, умножаются в несколько раз на массу сингулярности, этот процесс увеличивает мощь гравитационной силы. Поэтому, если взять с собой фонарик и отправиться черную дыру, светиться он не будет. Сингулярность — точка, в которой все стремится к бесконечности.

Структура черной дыры — это сингулярность и горизонт событий. Внутри сингулярности физические теории полностью теряют свой смысл, поэтому до сих пор она остается загадкой для ученых. Пересекая границу (горизонт событий), физический объект теряет возможность вернуться. Мы знаем далеко не все о черных дырах в космосе
, но интерес к ним не угасает.

По причине относительно недавнего роста интереса к созданию научно-популярных фильмов на тему освоения космоса современный зритель наслышан о таких явлениях как сингулярность, 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?

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 (). 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 . 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

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 . 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 – 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. черной дыры – это некая граница, пересекая которую, физический объект теряет возможность вернуться обратно за ее пределы и однозначно «упадет» в сингулярность 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.

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 , а именно 2·10 −5 г.
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 — 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 ·10 26 кг/м³, тогда как плотность воды 1000 кг/м³. Однако, столь малые черные дыры не были найдены учеными. Большинство обнаруженных ЧД имеют массу более 10 5 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 ·10 9 солнечных масс имеет плотность 18.5 кг/м³, что на единицу меньше плотности золота. А ЧД массой более 10 10 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 10 94 кг/м³.
Температура черной дыры также обратно пропорционально зависит от ее массы. Данная температура непосредственно связана с . 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 -7 К или -272°C). Температура же квантовых черных дыр может достигать порядка 10 12 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 10 14 раз больше той, которая достигнута сегодня на Большом адронном коллайдере. Кроме того, подобные явления ни разу не наблюдались астрономами.

Из чего состоит ЧД?

Еще один вопрос волнует, как ученых, так и тех, кто просто увлекается астрофизикой — из чего состоит черная дыра? На этот вопрос нет однозначного ответа, так как за горизонт событий, окружающий любую черную дыру, заглянуть не представляется возможным. Кроме того, как уже говорилось ранее, теоретические модели черной дыры предусматривают всего 3 ее составных: эргосфера, горизонт событий и сингулярность. Логично предположить, что в эргосфере имеются лишь те объекты, которые были притянуты черной дырой, и которые теперь вращаются вокруг нее – разного рода космические тела и космический газ. Горизонт событий – лишь тонкая неявная граница, попав за которую, те же космические тела безвозвратно притягиваются в сторону последней основной составляющей ЧД – сингулярности. Природа сингулярности сегодня не изучена и о ее составе говорить еще рано.

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?

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 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 10 5 -10 10 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

Ближайшая черная дыра, а вернее кандидат на роль ЧД – объект (V616 Единорога), который расположен на расстоянии 3000 световых лет от Солнца (в нашей галактике). Он состоит из двух компонент: звезды 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.

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 * — 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 4,31·10 6 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 1·10 7 K.

Самая большая черная дыра

Самая большая черная дыра во Вселенной, которую ученым удалось обнаружить – сверхмассивная черная дыра, FSRQ блазар, в центре галактики S5 0014+81, на расстоянии 1.2·10 10 световых лет от Земли. По предварительным результатам наблюдения, при помощи космической обсерватории Swift, масса ЧД составила 40 миллиардов (40·10 9) 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.

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 .

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 . 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.

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:

Помимо упомянутых выше методов, ученые часто связывают такие объекты как черные дыры и . 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, вблизи: это сферический черный объект, вокруг которого вращается сильно разогретая материя, образуя светящийся аккреционный диск.

Слияние и столкновение черных дыр

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 . 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 10 12 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.

«Техника-молодежи» 1976 г №4, с.44-48

Один из дней работы конференции «Человек и космос» был посвящен космическим телам, заполняющим нашу вселенную: частицам, полям, звездам, галактикам, скоплениям галактик. ..

Мы публикуем обзор докладов на эту тему, сделанных на конференции, — доклада академика Я. ЗЕЛЬДОВИЧА «Поля и частицы во вселенной», а также трех докладов, посвященных исследованию наблюдаемых проявлений наиболее уникальных объектов нашей вселенной — «черных дыр». Эти доклады представлены заведующими секторами Института космических исследований АН СССР, докторами физико-математических наук И. НОВИКОВЫМ и Р. СЮНЯЕВЫМ и научным сотрудником Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга, кандидатом физико-математических наук Н. ШАКУРОЙ.

Уже несколько десятилетий астрономический мир волнует проблема существования «черных дыр» во вселенной — удивительнейших объектов, предсказанных физиками на основе общей теории относительности А. Эйнштейна. «Черные дыры» — материальные тела, сжатые силами собственного тяготения до таких размеров, что ни свет, ни какие-либо другие частицы не могут покинуть поверхность и уйти в бесконечность.

Всем хорошо известно понятие второй космической скорости. Это начальная скорость, которую нужно придать космическому кораблю (или любому другому предмету) на поверхности Земли для преодоления гравитационных сил притяжения и ухода в космическое пространство. Численно она равна 11,2 км/с.

Представим теперь гипотетический космический корабль, стартующий с поверхности какой-либо звезды, например нашего Солнца. Для того чтобы он смог освободиться от «гравитационных объятий» звезды, ему потребуется скорость уже в сотни километров в секунду. В общем случае вторая космическая скорость зависит от массы М и радиуса R тела и определяется всем известной формулой: (G — постоянная гравитационного взаимодействия). Очевидно, чем меньший радиус R имеет тело данной массы М, тем сильнее его гравитационное поле, тем больше значение второй космической скорости.

Еще в конце XVII столетия известный французский ученый Пьер Симон Лаплас в некотором смысле предсказал «черные дыры», задаваясь вопросом: до каких размеров следует сжать тело, чтобы скорость убегания с его поверхности равнялась скорости света с = 300 000 км/с? Подставляя в выражение для второй космической скорости величину скорости света с = 300 000 км/с, находим значение радиуса

Для Земли он равен всего 3 см, для Солнца — 3 км. Таким образом, если бы с помощью какого-либо внешнего воздействия удалось сжать эти тела до радиуса R g , то они ничего бы не излучали наружу, так как нужно было бы придать частицам начальную скорость больше скорости света, но последняя, как мы знаем сегодня, является предельно возможной скоростью для материальных частиц.

Истинные размеры Земли и других планет. Солнца и других звезд в тысячи раз больше радиуса R g , и долгое время ученые предполагали, что внутренние силы давления вещества не позволят ему сжаться до критического радиуса. Но в 30-х годах нашего столетия несколько ученых-физиков (одним из них был академик Л. Ландау) показали, что достаточно массивные звезды в конце своей эволюции должны превращаться в «черные дыры», то есть сжаться до таких размеров, когда гравитационное поле запирает излучение, выходящее с их поверхности. Процесс сжатия массивных звезд является необратимым: никакие сверхмощные силы отталкивания между частицами не могут воспрепятствовать сжатию звезды почти до R g . Такой процесс необратимого катастрофического сжатия получил название гравитационного коллапса
, а критический радиус R g называется гравитационным радиусом
тела.

Мы знаем, что механика Ньютона неприменима, когда скорость движения частиц сравнима со скоростью света. В этом случае пользуются специальной теорией относительности. А для описания сильных гравитационных полей и движения вещества в них также вместо теории тяготения Ньютона пользуются общей теорией относительности, или, как ее еще называют, релятивистской теорией тяготения Эйнштейна. Поразительным оказалось то, что расчет гравитационного радиуса в точной релятивистской теории тяготения привел к тому же значению: , которое Лаплас вычислил больше чем полтора столетия назад. Но, по теории Ньютона, сколь огромную массу вещества мы ни брали бы, она всегда может находиться в равновесном состоянии. Хотя понятие гравитационного радиуса для нее существует, но размеры тела, по теории Ньютона, всегда больше.

В точной релятивистской теории не так. Оказывается, что если масса вещества превышает некоторое критическое значение, то оно должно после того, как потеряет свою тепловую энергию, под действием гравитационных сил коллапсировать. Это критическое значение массы равно примерно 2-3 массам нашего Солнца (2-3 Мс).

Во вселенной мы наблюдаем миллиарды звезд как с массой в десятки раз меньше солнечной, так и в десятки раз больше. Звезды теряют свою тепловую энергию в виде электромагнитного излучения с поверхности. Чем больше масса звезды, тем большую светимость она имеет. Так, звезда с массой в десять раз больше массы Солнца имеет в десять тысяч раз большую светимость.

Длительное время потери энергии компенсируются реакциями термоядерного синтеза, протекающими в глубоких недрах звезд. Но после исчерпания ядерных ресурсов звезда начинает остывать. Расчет показывает, что звезды типа нашего Солнца сжигают свои запасы примерно через 10 млрд. лет 1 , а с массой в десять раз большей — уже через 10 млн. лет. Ведь их светимость в 10 000 раз больше. С началом остывания звезда под действием гравитационных сил начинает сжиматься. В зависимости от массы сжатие приводит к трем различным типам объектов (см. рис. 1). Звезды с массой порядка солнечной превращаются в белые карлики — довольно плотные тела (плотность 10 5 — 10 9 г/см 3), имеющие размеры, сравнимые с радиусом Земли. Сила тяжести в белых карликах уравновешена давлением вырожденных электронов, которое обусловлено квантовыми свойствами плотного электронного газа. Для звезд с массой больше чем 1,2 Мс. давление вырожденных электронов уже не в состоянии противодействовать возрастающей силе гравитации, и такие звезды продолжают сжиматься дальше. Если значение массы не превышает 2-3 Мс, то ее сжатие останавливается при плотности атомного ядра 10 14 -10 15 г/см 3 . При такой плотности вещество практически полностью превращается в нейтроны, и сила тяжести уравновешена давлением вырожденного нейтронного газа. Естественно, что такие объекты были названы нейтронными звездами. Радиус нейтронной звезды составляет всего несколько километров. Сжатие исходной звезды, имеющей радиус в миллионы километров, до размеров в десять километров происходит мгновенно (в рамках понятий астрофизики, т. е. со скоростью свободного падения — около часа), и за короткое время выделяется гигантское количество энергии. Внешние части звезды буквально взрываются и разлетаются со скоростью в десятки тысяч километров в секунду. Большая часть энергии при этом излучается в виде электромагнитных волн, так что светимость звезды в течение нескольких дней становится сравнимой с общей светимостью всех звезд в Галактике. Такой взрыв получил название вспышки сверхновой.

1 Возраст Солнца на сегодняшний день 5 млрд. лет.

Наконец, если масса звезды превышает тройную массу Солнца, то уже никакие силы отталкивания не могут остановить процесс сжатия, и он заканчивается релятивистским коллапсом с образованием «черной дыры».

Но это не значит, что возникшие космические объекты будут иметь пропорциональные массы. На причинах этих несоответствий подробно остановился в своем докладе академик Я. Зельдович. Для сил тяготения характерен дефект массы. Могут возникнуть состояния, когда гравитационный дефект массы достигнет 30, 50 и даже 99%.

Теоретические расчеты дают несколько способов рождений «черной дыры» (рис. 2). Во-первых, возможен прямой коллапс массивной звезды, при котором яркость исходной звезды, воспринимаемая далеким наблюдателем, будет быстро падать. Из фиолетовой звезда быстро становится красной, затем инфракрасной, а потом и вовсе погаснет. Хотя она будет по-прежнему излучать энергию, поле тяготения становится столь сильным, что траектории фотонов будут заворачиваться обратно к коллапсирующей звезде. Возможен также следующий путь: центральные части звезды сжимаются в плотное горячее нейтронное ядро с массой больше критической, а затем после быстрого остывания (за время порядка десятков секунд) массивная нейтронная звезда коллапсирует дальше в «черную дыру». Такой двухступенчатый процесс приводит к взрыву наружных частей звезды, аналогичному взрыву сверхновой, с образованием нормальной нейтронной звезды. Наконец, «черная дыра» может образоваться из нейтронной звезды спустя десятки миллионов лет после взрыва сверхновой, когда масса нейтронной звезды в результате выпадания на ее поверхность окружающего межзвездного вещества превысит критическое значение.

Можно ли наблюдать эти три типа конечных объектов звездной эволюции: белые карлики, нейтронные звезды и «черные дыры»?

Исторически оказалось, что белые карлики были обнаружены задолго до того, как разобрались в теории звездной эволюции. Они наблюдались как компактные белые звезды с большой температурой поверхности. Но откуда они черпают свою энергию, ведь, по теории, источники ядерной энергии в них отсутствуют? Оказывается, они светят за счет запасов тепловой энергии, которая осталась у них от предыдущих, горячих этапов эволюции. Имея малую площадь поверхности, эти звезды теряют свою энергию весьма экономно. Они медленно остывают и за время порядка сотен миллионов лет превращаются в черные карлики, то есть становятся холодными и невидимыми.

Нейтронным звездам повезло больше. Они сначала были открыты теоретиками «на кончике пера», а спустя почти 30 лет после предсказания были обнаружены как источники космического строго периодического излучения — пульсары. (За это открытие А. Хьюишу, руководителю группы английских астрономов, обнаруживших первый пульсар, была присуждена Нобелевская премия.) Наблюдаются пульсары с периодами следования импульсов от сотых долей секунды у самых молодых пульсаров до нескольких секунд у пульсаров, возраст которых составляет десятки миллионов лет. Периодичность пульсаров связана с их быстрым вращением вокруг собственной оси.

Представьте себе прожектор, находящийся на поверхности некоторого вращающегося объекта. Если вы находитесь на пути луча света от такого объекта, то увидите, что излучение от него будет приходить в виде отдельных импульсов с периодом, равным периоду вращения объекта, — это и будет грубая, приближенная, но верная в своей основе модель пульсара. Почему же излучение с поверхности нейтронной звезды уходит в узком конусе углов, как луч света от прожектора? Оказывается, благодаря мощному магнитному полю 10 11 -10 12 гс нейтронная звезда излучает энергию лишь вдоль силовых линий из магнитных полюсов, что в результате вращения приводит к явлению пульсара как космического маяка. Любопытно, что излучаемая в космическое пространство энергия черпается из его энергии вращения, и период вращения пульсара постепенно увеличивается. Время от времени на этот плавный рост периода накладываются сбои частоты, когда пульсар практически мгновенно уменьшает значение периода. Эти сбои вызваны «звездотрясением» нейтронной звезды. По мере замедления вращения в твердой коре нейтронной звезды (см, рис. 3) постепенно накапливаются механические напряжения, и, когда эти напряжения превышают предел прочности, происходит внезапное высвобождение энергии и перестройка твердой коры — пульсар при такой перестройке мгновенно уменьшает свой период вращения.

Как излучают «черные дыры»?

Внешнее гравитационное поле — вот все, что остается от звезды после того, как она коллапсирует и превратится в «черную дыру». Все богатство внешних характеристик звезды — магнитное поле, химический состав, спектр излучения — исчезает в процессе гравитационного коллапса. Представим себе на минутку фантастическую ситуацию, когда наша Земля оказалась бы рядом с «черной дырой» (рис. 4). Земля не просто начала бы падать на «черную дыру», приливные силы начали бы деформировать Землю, вытягивая ее в каплю, прежде чем она полностью поглотилась бы «черной дырой».

«Черная дыра» без вращения характеризуется лишь значением гравитационного радиуса R g , ограничивающего сферу в окрестности «черной дыры», из-под которой никакие сигналы не могут выйти наружу. Если же «черная дыра» имеет еще и угловой момент вращения, то выше гравитационного радиуса появляется область, названная эргосферой. Находясь в эргосфере, частица не может оставаться в покое. При распаде частицы из эргосферы можно извлекать энергию — один осколок падает на «черную дыру», а второй улетает в бесконечность, унося с собой избыток энергии (см. рис. на стр. 44).

Поиск «черных дыр» в нашей Галактике наиболее перспективен в двойных звездных системах. Больше 50% звезд входят в состав двойных систем. Пусть одна из них превратилась в «черную дыру». Если вторая находится на достаточно безопасном расстоянии, то есть приливные силы не разрушают ее, а лишь немного деформируют, то такие две звезды будут по-прежнему вращаться вокруг общего центра тяжести, но одна из них будет невидима. Советские ученые, академик Я. Зельдович и О. Гусейнов, в 1965 году предложили искать «черные дыры» среди тех двойных систем, где невидим более массивный компонент. Более поздние исследования показали, что если оптическая звезда теряет вещество со своей поверхности, то вокруг «черной дыры» может возникнуть светящийся ореол. И сейчас все надежды астрономов связаны с изучением взаимодействия «черных дыр» с веществом, которое их окружает.

Сферическое падение холодного вещества на «черную дыру» не приводит к заметному выделению энергии: у «черной дыры» отсутствует поверхность, при ударе о которую вещество остановилось и высветило бы свою энергию. Но, как показали независимо друг от друга в 1964 году академик Я. Зельдович и американский астрофизик Е. Салпитер, если «черная дыра» «обдувается» направленным потоком газа, то за нею возникает сильная ударная волна, в которой газ нагревается до десятков миллионов градусов и начинает излучать в рентгеновском диапазоне спектра. Так происходит, когда оптическая звезда истекает звездным ветром и ее размеры малы по сравнению с некоторой критической полостью, называемой полостью Роша (рис. 5а). Если же звезда заполняет всю полость Роша, то истечение происходит через «узкую горловину» (рис. 56), и вокруг «черной дыры» образуется диск. Вещество в диске по мере потери скорости падает по медленно скручивающейся спирали на «черную дыру». В процессе падения часть гравитационной энергии превращается в тепловую и нагревает диск. Сильнее всего разогреваются близкие к «черной дыре» области диска. Температура в них поднимается до десятков миллионов градусов, и в результате диск, как и в случае ударной волны, главную часть энергии излучает в рентгеновском диапазоне.

Аналогичная картина будет наблюдаться, если вместо «черной дыры» в двойной системе находится нейтронная звезда (рис. 5в). Однако нейтронная звезда обладает сильным магнитным полем. Это поле направляет падающее вещество в область магнитных полюсов, где и происходит выделение основной части энергии в рентгеновском диапазоне. При вращении такой нейтронной звезды мы будем наблюдать явление рентгеновского пульсара.

В настоящее время открыто большое число компактных рентгеновских источников в составе двойных систем. Они были обнаружены по регулярному выключению излучения во время затмения источника соседней оптической звездой. Если само излучение дополнительно промодулировано, то это скорее всего нейтронная звезда, если нет — есть основания считать такой источник «черной дырой». Оценки их масс, которые можно сделать на основании законов Кеплера, показали, что они больше критического предела для нейтронной звезды. Наиболее подробно изучен источник Лебедь X-1 с массой больше 10Мс. По всем своим характеристикам он является «черной дырой».

Долгое время большинство астрофизиков считало, что изолированная «черная дыра», вокруг которой нет никаких частиц, не излучает. Но несколько лет назад известный английский астрофизик С. Хокинг показал, что даже полностью изолированная «черная дыра» должна излучать в космическое пространство фотоны, нейтрино и другие частицы. Этот поток энергии вызван квантовыми явлениями рождения частиц в сильном переменном поле тяготения. При коллапсе звезда асимптотически приближается к значению гравитационного радиуса и достигнет его лишь за бесконечно долгое время. В пустоте вокруг «черной дыры» всегда существует маленькая нестатичность поля. А в нестатических полях должны рождаться новые частицы. Хокинг детально рассчитал процесс излучения «черных дыр» и показал, что с течением времени «черные дыры» уменьшаются, они как бы затягиваются и уменьшаются до сколь угодно малых размеров. В согласии с
полученными формулами квантовое излучение «черной дыры» характеризуется температурой Т ~ 10 -6 Мс/М°К. Таким образом, если масса «черной дыры» порядка солнечной, то эффективная температура излучения ничтожна — 10 -6 °К. Можно вычислить и время жизни «черной дыры»: лет. Это время для «черных дыр» звездной массы колоссально велико, и процессы Хокинга не влияют на наблюдаемые проявления «черных дыр» в двойных системах.

Около десяти лет назад во вселенной были открыты удивительнейшие и до сих пор неразгаданные объекты — квазары. Светимость квазаров в сотни раз превышает светимость даже очень больших галактик, то есть квазары светят сильнее, чем сотни миллиардов звезд. Наряду с чудовищно большой светимостью наблюдается еще один удивительный факт — за несколько лет или даже месяцев поток излучения от квазаров может меняться в десятки раз. Переменность излучения свидетельствует о том, что оно рождается в очень компактной области с размерами не больше размеров солнечной системы. Это очень мало для объекта, имеющего колоссальнейшую светимость. Что же это за тела?

Теоретиками было предложено несколько моделей. Одна из них предполагает наличие сверхмассивной звезды с массой, в 10 миллионов раз большей массы нашего Солнца. Такая звезда излучает очень много энергии, но время жизни ее очень мало по космическим масштабам: всего несколько десятков тысяч лет, после чего она остывает и коллапсирует в «черную дыру». В другой модели предполагалось, что квазар представляет собой скопление десятков миллионов горячих массивных звезд (рис. 6). Звезды будут сталкиваться, будут прилипать одна к другой, становиться более массивными, будут эволюционировать. При этом часто будут происходить вспышки сверхновых и наблюдаться колоссальное энерговыделение. Но и в этом случае тесное скопление звезд превращается в сверхмассивную «черную дыру».

Английский астрофизик Д. Линден-Лелл первым задумался о том, как можно обнаружить такую сверхмассивную «черную дыру». Он показал, что падение межзвездного газа, который всегда имеется в межзвездном пространстве вокруг сверхмассивной «черной дыры», приведет к колоссальному энерговыделению. Вокруг «черной дыры» появится ореол излучения со всеми свойствами, наблюдаемыми у квазаров. В настоящее время построена теория излучения квазаров как сверхмассивных «черных дыр», на которые выпадает вещество, однако однозначные доказательства этой модели еще не получены.

Обзор подготовил кандидат физико-математических наук
НИКОЛАЙ ШАКУРА

Трактат о «черной дыре»

АЛЕКСАНДР ЯНГЕЛЬ

Ну шарада!

Знать, недаром

Ошарашен астроном…
В дали дальней мирозданья
звезды ходят ходуном:
то разбухнут, как арбузы,
то — летят в тартарары,
словно канувшие в лузы
биллиардные шары.
Астроном по небу шарит,
вороша кромешный мрак:
кто там карты мне мешает?
Что за «черная дыра»?
Безразмерная утроба!
Мир, закрытый на учет!
Или ты — мусоропровод
для вселенских нечистот?!
Ты — распахнутая настежь,
все глотающая пасть.
Нет опаснее напасти:
в этой пропасти пропасть.
Даже свет,

и тот не в силах

Из неволи улизнуть.
И самой невыносимо —
никому не подмигнуть…
Ты скажи, о чем тоскуешь,
коротая вечера?
Для чего ты существуешь
и куда ведешь, «дыра»?
…Астроном до помраченья
сверлит глазом

Как он хочет в назначенье
верить доброе твое!

Астрономы обнаружили самый массивный на данный момент объект во всей Вселенной.
Им оказалась сверхтяжелая черная дыра в центре галактики NGC 1277 в созвездии Персея, удаленная от Земли на 228 миллионов световых лет.

Открытие было сделано группой немецких ученых из Института астрономии в Гейдельберге во время анализов снимков галактики, полученных при помощи инфракрасного спектрометра телескопа Хобби-Эберли. Черная дыра в созвездии Персея содержит в себе огромное количество материи — от 14 до 20 миллиардов масс нашего Солнца, пишет «Российская газета».

Выяснилось, что это масса более 14 процентов от массы всей галактики, тогда как обычно сверхмассивные черные дыры включают в себя около 0,1 процента. Ранее самым тяжелым объектом считалась черная дыра в галактике NGC 4889, чья масса составляет 9,8 миллиард солнечных масс.

«Это действительно очень странная галактика. Она практически целиком состоит из черной дыры. Может быть, мы открыли первый объект из класса галактик-черных дыры», — заявил один из авторов исследования астроном Карл Гебхардт. По словам ученых, результаты исследования способны изменить теорию образования и разрастания черных дыр.

По словам ученых, результаты исследования способны изменить теорию образования и разрастания черных дыр, отмечает BBC.

Астрофизики полагают, что в центре большинства массивных галактик всегда находится минимум одна черная дыра. Природа формирования этих объектов пока не до конца ясна. Считается, что черные дыры образуются при неограниченном гравитационном сжатии, часто после смерти крупных звезд. Они создают столь сильное гравитационное притяжение, что покинуть никакое вещество, даже свет, не могут покинуть их, уточняет Диверсант.

Другое открытие сделали астрономы Европейской южной обсерватории, пишет ukrinform.ua. Они обнаружили объект, также связанный с черной дырой — квазар. Своим притяжением черная дыра разрушает пролетающие мимо звезды. Образовавшийся при этом звездный газ постепенно стягивается в дыру, одновременно вращаясь. Сжатие и быстрое вращение центральной части диска приводит к ее разогреву и мощному излучению. Часть вещества черная дыра не успевает поглотить, и оно частично покидает ее в виде узко направленных потоков газа и космических лучей — это и называется квазаром.

Найденный квазар в 5 раз мощнее тех, которых ранее доводилось наблюдать ученым. Скорость выброса материи из этого квазара в два триллиона раз превышает излучение Солнца, и в 100 — всей нашей галактики. «Я искал такого монстра в течение 10 лет», — заявил один из исследователей профессор Наум Арав.

Отмечается, что квазар расположен в 1000 световых годах от сверхмассивной черной дыры, и перемещается со скоростью 8 тысяч километров в секунду.

Черные дыры, темная материя, темное вещество… Это, несомненно, самые странные и загадочные объекты в космосе. Их причудливые свойства могут бросить вызов законам физики Вселенной и даже природе существующей действительности. Чтобы понять, что же такое черные дыры, ученые предлагают “сменить ориентиры”, научиться думать нестандартно и применить немного фантазии. Черные дыры образуются из ядер супер массивных звёзд, которые можно охарактеризовать как область пространства, где огромная масса сосредоточенна в пустоте, и ничего, даже свет не может там избежать гравитационного притяжения. Это та область, где вторая космическая скорость превышает скорость света: И чем более массивен объект движения, тем быстрее он должен двигаться для того, чтобы избавиться от силы своей тяжести. Это известно как вторая космическая скорость.

Энциклопедия Кольера называет черными дырами область в пространстве, возникшую в результате полного гравитационного коллапса вещества, в которой гравитационное притяжение так велико, что ни вещество, ни свет, ни другие носители информации не могут ее покинуть. Поэтому внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной; происходящие внутри черной дыры физические процессы не могут влиять на процессы вне ее. Черная дыра окружена поверхностью со свойством однонаправленной мембраны: вещество и излучение свободно падает сквозь нее в черную дыру, но оттуда ничто не может выйти. Эту поверхность называют “горизонтом событий”.

История открытия

Черные дыры, предсказанные общей теорией относительности (теорией гравитации, предложенной Эйнштейном в 1915) и другими, более современными теориями тяготения, были математически обоснованы Р.Оппенгеймером и Х. Снайдером в 1939. Но свойства пространства и времени в окрестности этих объектов оказались столь необычными, что астрономы и физики в течение 25 лет не относились к ним серьезно. Однако астрономические открытия в середине 1960-х годов заставили взглянуть на черные дыры как на возможную физическую реальность. Новые открытия и изучение может принципиально изменить наши представления о пространстве и времени, проливая свет на миллиарды космических тайн.

Образование черных дыр

Пока в недрах звезды происходят термоядерные реакции, они поддерживают высокую температуру и давление, препятствуя сжатию звезды под действием собственной гравитации. Однако со временем ядерное топливо истощается, и звезда начинает сжиматься. Расчеты показывают, что если масса звезды не превосходит трех масс Солнца, то она выиграет “битву с гравитацией”: ее гравитационный коллапс будет остановлен давлением “вырожденного” вещества, и звезда навсегда превратится в белый карлик или нейтронную звезду. Но если масса звезды более трех солнечных, то уже ничто не сможет остановить ее катастрофического коллапса и она быстро уйдет под горизонт событий, став черной дырой.

Черная дыра – дырка от бублика?

То, что не излучает свет, заметить непросто. Одним из способов поиска черной дыры является поиск областей в открытом космосе, которые обладают большой массой и находятся в темном пространстве. При поиске подобных типов объектов астрономы обнаружили их в двух основных областях: в центрах галактик и в двойных звездных системах нашей Галактики. Всего же, как предполагают учёные, существует десятки миллионов таких объектов.

В настоящее время единственный достоверный способ отличить чёрную дыру от объекта другого типа состоит в том, чтобы измерить массу и размеры объекта и сравнить его радиус с

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 лет 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 имеет достаточную массу, 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 коллаборацией EHT)

(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 невероятных усилий, потребовавших 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 преобладают 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.

Существует 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 прекрасным 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. В настоящее время она живет в Ноттингеме, Великобритания.0003

Плохая астрономия | Как выглядит черная дыра вблизи?

Как бы выглядела черная дыра, если бы вы оказались рядом с ней?

Есть несколько способов ответить на этот вопрос. Один из способов: ничего. Он черный, поэтому ни на что не похож.

Это может не удовлетворять.

Другой способ: это не имеет значения, потому что через несколько миллисекунд вы все равно будете мертвы.

Немного темновато, и хотя это правда, тоже неудовлетворительно.

Если вы ученый, ответ будет сложнее. Нам не нужно приближаться к черной дыре, чтобы понять, как она выглядит, поэтому нет необходимости бросать вызов собственной гибели. И если мы предположим, что черная дыра активно поедает, скажем, большое облако газа, то мы сможем понять, как она выглядит.

Вам нужно много знаний по математике и физике, включая релятивистскую физику, физику переноса излучения (в основном то, как светятся вещи) и хороший компьютер, чтобы выполнять жестокие вычисления, но вы получаете что-то настолько крутое, что мозг- и физика искривления пространства-времени того стоит.

Потому что это выглядит так:

Ууууууууууу.

Так что ты здесь видишь? Хаос, жар и гравитация — все это смешалось вместе благодаря теории относительности.

Точнее, вы видите странную оптику, генерируемую, когда черная дыра окружена кольцом газа, которое она поглощает, называемым аккреционный диск . Это было выпущено НАСА в честь #BlackHoleWeek, о котором у меня есть мнение:

#BlackHoleWeek — это просто циничный маркетинговый ход, созданный Big Black Hole, чтобы заставить вас покупать больше #BlackHole https://t.co/ITd9U99pue
— Фил, твой дом с пауками s’il vous Plait (@BadAstronomer) 23 сентября 2019 г.

Но, несмотря на это, этот симулятор потрясающий, и его стоит изучить. Давайте посмотрим на все это из центра.

В самом центре находится сама черная дыра. Его не видно (см. пункт 2 выше). У каждой черной дыры есть минимальное расстояние от нее, на котором, чтобы избежать ее гравитации, вам нужно двигаться со скоростью света. Ничто не может этого сделать, вот почему черные дыры черные (и почему они, если уж на то пошло, дыры). Это расстояние называется горизонт событий .

Однако большой черный круг в середине на самом деле в раз больше, чем горизонт событий. Любой фотон (частица света), который подходит слишком близко к черной дыре, на самом деле выходит на орбиту вокруг нее, прежде чем в конечном итоге упасть внутрь, и не возвращается к нам. Эта область называется фотонной сферой (также несколько вводящей в заблуждение, называемой тенью черной дыры) и примерно в 2,5 раза больше, чем горизонт событий (это для вращающейся черной дыры; если она не вращается, фотонная сфера всего в 1,5 раза больше, чем горизонт событий). больше; причины этого, что неудивительно, сложны).

С технической точки зрения, если бы вы находились внутри фотонной сферы (а не были разорваны смехотворно сильными приливами или просто затянуты) и смотрели прямо перед собой, вы могли бы увидеть свой затылок! Фотоны из вашего затылка будут вращаться вокруг черной дыры, а затем обрушатся на вас впереди вас. Это было бы… сбивающим с толку.

Суть: многие люди путаются, видя любой свет от черной дыры. Свет не может покинуть черную дыру, если он подойдет слишком близко, внутри горизонта событий (или фотонной сферы, в зависимости от обстоятельств). Но за пределами этого расстояния свет может свободно распространяться… но не без платы. Давайте узнаем, что это за пошлина.

Аннотированная версия имитации черной дыры объясняет различные части этого странного объекта. Предоставлено: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА/Джереми Шнитман

Вернемся к симуляции, и все еще движется наружу, сразу за этой фотонной сферой находится узкое кольцо света, называемое фотонным кольцом. Это свет от аккреционного диска, где фотоны, направлявшиеся к черной дыре, остаются на 90 163 всего лишь на 90 164 за пределом фотонной сферы, поэтому они несколько раз совершают оборот вокруг черной дыры, прежде чем вернуться обратно. Вокруг него есть промежуток, потому что фотоны, которые остаются далеко за пределами фотонной сферы, просто продолжают двигаться — их путь сильно искривлен гравитацией черной дыры, но недостаточно, чтобы направиться к нам. Поэтому мы не видим света из этого региона.

Снаружи фотонной сферы мы видим свет от самого аккреционного диска… но это беспорядок. Помните, что это плоский диск вокруг черной дыры, как кольца Сатурна. Но мы видим диск по свету, который он излучает, и черная дыра играет с ним веселый ад.

Путь света вокруг черной дыры сильно искажается гравитацией. На этой диаграмме Земля смещена вправо, и свет от материала позади черной дыры отклоняется к нам, оставляя «дыру» там, где находится сама черная дыра. Предоставлено: Николь Р. Фуллер/NSF

Фото:
Николь Р. Фуллер/NSF

Перед черной дырой диск выглядит относительно (ха!) нормальным. Этот свет идет от диска к нам прямо из гравитационного колодца черной дыры, поэтому он не так искажен. Однако если вы будете следовать за ним вправо, он внезапно изгибается вверх, образуя арку над черной дырой. Это обратная сторона диска! Обычно вы его не видите, так как он находится за черной дырой. Но часть света от этой части диска идет вокруг и над черной дырой, изгибающейся под действием яростной гравитации в направлении к нам, что позволяет нам ее видеть.

Этот свет в арке над черной дырой исходит от верхней части аккреционного диска. Свет от нижней стороны также обходит черную дыру, но он огибает дно черной дыры, поэтому мы видим и ту часть диска, которая находится под черной дырой. Это выглядит как меньший круг, чем верхний, но этот размер и геометрия зависят от угла, под которым мы смотрели. Форма этих двух арок зависит от угла обзора, потому что то, как свет огибает черную дыру, меняет то, как мы ее видим, когда мы двигаемся вверх или вниз относительно самого диска. Вы можете увидеть, как это происходит на видео, когда угол обзора меняется.

Еще одно замечание. В этой симуляции газ в аккреционном диске вращается вокруг черной дыры слева направо. Это важно! Вы видите, что диск слева выглядит ярче, чем справа? Это реальный эффект, называемый релятивистским излучением. Я уже писал об этом раньше:

Существует эффект, называемый релятивистским излучением , вызванный невероятно быстрым движением материала, когда он вращается вокруг черной дыры. Если вы держите лампочку перед собой, свет распространяется по сфере во всех направлениях. Но если эта лампочка движется со скоростью, близкой к скорости света, свет, который мы видим, исходит от нее, кажется лучом, подобным фонарику. , направленный в направлении, в котором он движется. Этот странный эффект означает, что объект, движущийся к вам со скоростью, близкой к скорости света, кажется ярче, потому что большая часть его света сфокусирована на вас, а что-то удаляющееся кажется темнее, потому что его свет сфокусирован от вас.

Газ слева направляется к вам, поэтому часть его света, который в противном случае не попал бы в вас, направляется к вам, делая его ярче. Газ слева движется от вас, поэтому его свет излучается еще дальше от вас, затемняя его.

Если все это звучит знакомо, возможно, это потому, что вы думаете о самом первом изображении фотонной сферы черной дыры — в данном случае той, что находится в центре галактики M 87, в 55 миллионах световых лет от нас. , сделанный Телескопом Горизонта Событий, массивом радиотелескопов по всей планете.

Самое первое изображение «тени» сверхмассивной черной дыры. На нем показана область вокруг черной дыры с массой в 6,5 миллиардов масс Солнца, расположенной на расстоянии 55 миллионов световых лет от Земли в ядре галактики M87. Кредит: NSF

Нечетко, но показывает те же функции! Оставайтесь с нами, потому что скоро мы увидим больше и более четкие изображения этих объектов.

Так что я думаю, что в этот момент можно воспользоваться моментом и подумать: «Черные дыры странные».

Но это же природа. Вселенная не обязана подчиняться нашему «здравому» смыслу, каким бы необычным и бессмысленным он ни был. Но когда вы находите время, чтобы по-настоящему взглянуть на Вселенную, понаблюдать за ней, найти закономерности, математику, стоящую за этими закономерностями, и физику, которую математика подразумевает — математика 90 163 требует 90 164, — тогда даже самые странные вещи во Вселенной становятся понятными.

Это приятная мысль, возможно, даже утешительная, в последние несколько миллисекунд перед тем, как вы навсегда покинете Вселенную. Удачной поездки вниз!

Наконец-то у нас есть изображение черной дыры в центре нашей галактики

В галерее астрономических портретов черных дыр пополнение. И это красота.

Астрономы наконец собрали изображение сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики. Эта черная дыра, известная как Стрелец A*, выглядит как темный силуэт на фоне окружающего ее светящегося материала. Изображение показывает турбулентную, извилистую область вокруг черной дыры в новых деталях. Этот вид может помочь ученым лучше понять сверхмассивную черную дыру Млечного Пути и другие подобные ей объекты.

Новое изображение было представлено 12 мая. Исследователи объявили об этом на серии пресс-конференций по всему миру. Они также сообщили об этом в шести статьях в Astrophysical Journal Letters .

«На этом изображении видно яркое кольцо, окружающее тьму, явный признак тени черной дыры», — сказала Ферьял Озель на пресс-конференции в Вашингтоне, округ Колумбия. Она работает астрофизиком в Аризонском университете в Тусоне. Она также является частью команды, которая сделала новый портрет черной дыры.

Ни одна обсерватория не смогла бы так хорошо рассмотреть Стрелец A* или сокращенно Sgr A*. Требовалась планетарная сеть радиотарелок. Эта сеть телескопов называется Event Horizon Telescope, или EHT. Он также сделал первое изображение черной дыры, выпущенное в 2019 году. Этот объект находится в центре галактики M87. Это около 55 миллионов световых лет от Земли.

Этот снимок черной дыры M87, конечно же, был историческим. Но Sgr A* — это «черная дыра человечества», — говорит Сера Маркофф. Этот астрофизик работает в Амстердамском университете в Нидерландах. Она также является членом команды EHT.

Считается, что почти каждая большая галактика имеет в центре сверхмассивную черную дыру. А Sgr A* принадлежит Млечному Пути. Это придает ему особое место в сердцах астрономов и делает его уникальным местом для изучения физики нашей Вселенной.

Сверхмассивная черная дыра рядом с вами

Стрелец A* находится на расстоянии 27 000 световых лет от нас и является ближайшей к Земле гигантской черной дырой. Это самая изученная сверхмассивная черная дыра во Вселенной. Тем не менее Sgr A* и другие подобные ему объекты остаются одними из самых загадочных когда-либо найденных объектов.

Это потому, что, как и все черные дыры, Стрелец А* является настолько плотным объектом, что его гравитация не позволяет свету выйти наружу. Черные дыры — «естественные хранители своих секретов», — говорит Лена Мурчикова. Этот физик работает в Институте перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси. Она не входит в команду EHT.

Гравитация черной дыры захватывает свет, попадающий в пределы границы, называемой горизонтом событий. Изображения Sgr A* и черной дыры M87, сделанные EHT, смотрят на свет, исходящий сразу за этим неизбежным краем.

Этот свет исходит от материала, вращающегося в черной дыре. Sgr A* питается горячим материалом, испускаемым массивными звездами в центре галактики. Газ втягивается сверхсильной гравитацией Sgr A*. Но он не просто падает прямо в черную дыру. Он кружится вокруг Стрельца А*, как космическая водосточная труба. Это образует диск светящегося материала, называемый аккреционным диском . Тень черной дыры на фоне этого светящегося диска — это то, что мы видим на EHT-изображениях черных дыр.

Ученые создали обширную библиотеку компьютерных моделей Стрельца А* (показан один). Эти модели исследуют турбулентный поток горячего газа, окружающего черную дыру. Этот быстрый поток приводит к тому, что яркость кольца меняется всего за несколько минут. Ученые сравнили эти симуляции с недавно опубликованными наблюдениями за черной дырой, чтобы лучше понять ее истинные свойства.
Диск, близлежащие звезды и внешний пузырь рентгеновского излучения «похожи на экосистему», — говорит Дэрил Хаггард. Она астрофизик из Университета Макгилла в Монреале, Канада. Она также является членом коллаборации EHT. «Они полностью связаны друг с другом».
На аккреционном диске происходит большая часть действий. Этот бурный газ дергается сильными магнитными полями вокруг черной дыры. Итак, астрономы хотят узнать больше о том, как работает диск.
Что особенно интересно в диске Стрельца A*, так это то, что по стандартам черной дыры он довольно тихий и слабый. Возьмите для сравнения черную дыру M87. Этот монстр очень грязный едок. Он так яростно поглощает близлежащий материал, что выбрасывает огромные струи плазмы.
Черная дыра нашей галактики гораздо более подавлена. Он съедает лишь несколько кусочков, которые ему подает его аккреционный диск. «Если бы Sgr A* был человеком, он бы потреблял одно рисовое зернышко раз в миллион лет», — сказал Майкл Джонсон на пресс-конференции, посвященной новому изображению. Джонсон — астрофизик Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики. Это в Кембридже, штат Массачусетс.
«Всегда было немного загадкой, почему он такой, такой слабый», — говорит Мег Урри. Она астрофизик из Йельского университета в Нью-Хейвене, штат Коннектикут. Она не входит в команду EHT.
Но не думайте, что это означает, что Sgr A* — скучная черная дыра. Его окрестности по-прежнему испускают всевозможные виды света. Астрофизики видели, как эта область слабо светится в радиоволнах и дрожит в инфракрасном свете. Они даже видели, как он рыгает на рентгеновских снимках.
Аккреционный диск вокруг Sgr A* постоянно мерцает и кипит. По словам Маркоффа, эта вариация похожа на пену на поверхности океанских волн. «Мы видим эту пену, которая поднимается от всей этой деятельности», — говорит она. «И мы пытаемся понять волны под пеной». То есть поведение материала максимально плотно прилегало к краю черной дыры.
Большой вопрос, добавляет она, заключается в том, сможет ли EHT увидеть что-то изменяющееся в этих волнах. В новой работе они увидели намеки на эти изменения. Но полный анализ еще продолжается.
Педагоги и родители, подпишитесь на шпаргалку
Еженедельные обновления, которые помогут вам использовать Science News Explores в учебной среде
Спасибо за регистрацию!
При регистрации возникла проблема.
Сплетение длин волн
Телескоп Event Horizon состоит из радиообсерваторий по всему миру. Умным образом комбинируя данные с этих далеко разбросанных тарелок, исследователи могут заставить сеть действовать как один телескоп размером с Землю. Каждую весну, когда условия подходящие, EHT всматривается в несколько удаленных черных дыр и пытается их сфотографировать.
Новое изображение Sgr A* получено из данных EHT, собранных в апреле 2017 года. В том году сеть собрала колоссальные 3,5 петабайта данных о черной дыре. Это примерно объем данных в 100 миллионах видео TikTok.
Используя эту находку, исследователи начали собирать воедино изображение сержанта А*. Чтобы выделить изображение из огромной массы данных, потребовались годы работы и сложных компьютерных симуляций. Также потребовалось добавить данные с других телескопов, которые наблюдали разные типы света от черной дыры.
Эти «многоволновые» данные имели решающее значение для сборки изображения. Глядя на световые волны по всему спектру, «мы можем составить полную картину», — говорит Гибва Мусоке. Она астрофизик, работает с Маркоффом в Амстердамском университете.
Несмотря на то, что Sgr A* находится так близко к Земле, его изображение было труднее получить, чем черную дыру M87. Проблема заключалась в вариациях Sgr A* — постоянном кипении его аккреционного диска. Из-за этого внешний вид Sgr A* меняется каждые несколько минут, пока ученые пытаются его изобразить. Для сравнения, внешний вид черной дыры M87 меняется только в течение нескольких недель.
Imaging Sgr A* «было похоже на попытку сделать четкий снимок бегущего ребенка ночью», — сказал Хосе Л. Гомес на пресс-конференции, объявив результат. Он астроном из Института астрофизики Андалусии. Это в Гранаде, Испания.
Этот звук представляет собой перевод изображения Стрельца A*, сделанного Телескопом Горизонта Событий, в звук. «Сонификация» проходит по часовой стрелке вокруг изображения черной дыры. Материал, расположенный ближе к черной дыре, движется по орбите быстрее, чем материал, находящийся дальше. Здесь более быстро движущийся материал слышен на более высоких тонах. Очень низкие тона представляют материал за пределами основного кольца черной дыры. Более высокая громкость указывает на более яркие пятна на изображении.
Новое изображение, новые идеи
Новое изображение Sgr A* стоило ожидания. Это не просто рисует более полную картину сердца нашей родной галактики. Это также помогает проверить фундаментальные принципы физики.
Во-первых, новые наблюдения EHT подтверждают, что масса Sgr A* примерно в 4 миллиона раз превышает массу Солнца. Но, будучи черной дырой, Стрелец А* упаковывает всю эту массу в довольно компактное пространство. Если бы черная дыра заменила наше Солнце, тень, которую запечатлел EHT, соответствовала бы орбите Меркурия.
Исследователи также использовали изображение Sgr A* для проверки теории гравитации Эйнштейна. Эта теория называется общей теорией относительности. Проверка этой теории в экстремальных условиях — например, вокруг черных дыр — может помочь выявить любые скрытые недостатки. Но в данном случае теория Эйнштейна подтвердилась. Размер тени Стрельца А* был именно таким, как предсказывала общая теория относительности.
Это был не первый раз, когда ученые использовали Sgr A* для проверки общей теории относительности. Исследователи также проверили теорию Эйнштейна, отслеживая движения звезд, вращающихся очень близко к черной дыре. Эта работа также подтвердила общую теорию относительности. (Это также помогло подтвердить, что Sgr A* действительно является черной дырой). Это открытие принесло двум исследователям долю Нобелевской премии по физике в 2020 году.
Новый тест относительности с использованием изображения сержанта А* дополняет предыдущий тип теста, говорит Туан До. Он астрофизик Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «С этими большими тестами по физике вы не хотите использовать только один метод». Таким образом, если один тест противоречит общей теории относительности, другой тест может перепроверить результаты.
Тем не менее, у проверки относительности с помощью нового изображения EHT есть одно важное преимущество. Изображение черной дыры проверяет относительность гораздо ближе к горизонту событий, чем любая звезда на орбите. Глядя на такую экстремальную область гравитации, можно обнаружить намеки на физику за пределами общей теории относительности.
«Чем ближе вы подходите, тем лучше у вас получается искать эти эффекты», — говорит Клиффорд Уилл. Он физик из Университета Флориды в Гейнсвилле.
Что дальше?
«Очень интересно получить первое изображение черной дыры в нашем Млечном Пути. Это фантастика», — говорит Николас Юнес. Он физик из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн. По его словам, новое изображение пробуждает воображение, как ранние снимки Земли, сделанные астронавтами с Луны.
Но это не последнее привлекающее внимание изображение Sgr A* с EHT. Сеть телескопов наблюдала черную дыру в 2018, 2021 и 2022 годах. И эти данные все еще анализируются.
«Это ближайшая к нам сверхмассивная черная дыра, — говорит Хаггард. «Это как наш самый близкий друг и сосед. И мы изучаем это годами как сообщество. [Это изображение является] действительно глубоким дополнением к этой захватывающей черной дыре, в которую мы все влюбились».
Силовые слова
Подробнее о сильных словах
аккреция : (в астрономии) Рост любого небесного объекта за счет поступления новых строительных материалов, таких как газ, плазма, пыль и другие частицы. Гравитационное притяжение объекта приносит эти новые материалы, в конечном итоге заставляя их сливаться. (v. сросшийся)
аккреционный диск : плоский диск, состоящий из газа, пыли и других материалов, который растет и вращается вокруг какого-либо астрономического объекта. Это гравитационное притяжение этого объекта, известное как аккретор, заставляет материал в диске терять энергию и угловой момент. Это заставляет диск медленно вращаться по спирали внутрь. Аккреционные диски, вероятно, играют роль в развитии звезд и планет, а также в мощном спектральном излучении квазаров, радиогалактик и некоторых сверхновых.
астронавт : человек, обученный путешествовать в космос для исследований и исследований.
астроном : Ученый, занимающийся исследованиями небесных объектов, космоса и физической вселенной.
астрофизик : Ученый, работающий в области астрономии, которая занимается изучением физической природы звезд и других космических объектов.
поведение : То, как что-то, часто человек или другой организм, действует по отношению к другим или ведет себя.
черная дыра : область пространства с настолько интенсивным гравитационным полем, что никакая материя или излучение (включая свет) не могут выйти наружу.
дополнение : Чтобы соответствовать или сочетаться с чем-то еще, чтобы завершить его. В генетике набор нуклеотидов, который точно сочетается с другой последовательностью ДНК или РНК, называется дополнением этой последовательности.
космический : Прилагательное, относящееся к космосу — вселенной и всему, что в ней есть.
данные : Факты и/или статистические данные, собранные вместе для анализа, но не обязательно организованные таким образом, чтобы придать им смысл. Для цифровой информации (тип, хранящийся в компьютерах) эти данные обычно представляют собой числа, хранящиеся в двоичном коде, отображаемом в виде строк нулей и единиц.
диск : Круглый, плоский и обычно довольно тонкий предмет. (в астрономии) Вращающееся облакообразное скопление газов, пыли или того и другого, из которого могут образовываться планеты. Или структура некоторых крупных вращающихся тел в космосе, включая спиральные галактики.
Горизонт событий : Воображаемая сфера, окружающая черную дыру. Чем массивнее черная дыра, тем больше сфера. Все, что происходит внутри горизонта событий, невидимо, потому что гравитация настолько сильна, что при нормальных обстоятельствах даже свет не может уйти. Но, согласно некоторым физическим теориям, в определенных ситуациях небольшое количество радиации может выйти наружу.
поле : Область исследования, как в: Ее область исследований — биология . Также термин для описания реальной среды, в которой проводятся некоторые исследования, например, в море, в лесу, на вершине горы или на городской улице. Это противоположность искусственной обстановке, такой как исследовательская лаборатория. (в физике) Область в пространстве, в которой действуют определенные физические эффекты, такие как магнетизм (созданный магнитным полем), гравитация (с помощью гравитационного поля), масса (с помощью поля Хиггса) или электричество (с помощью электрического поля).
фундаментальный : Что-то, что является основным или служит основой для другой вещи или идеи.
галактика : Группа звезд — и обычно невидимая таинственная темная материя — удерживаются вместе гравитацией. Гигантские галактики, такие как Млечный Путь, часто имеют более 100 миллиардов звезд. У самых тусклых галактик может быть всего несколько тысяч. В некоторых галактиках также есть газ и пыль, из которых образуются новые звезды.
гравитация : Сила, которая притягивает что-либо с массой или объемом к любому другому объекту с массой. Чем больше масса чего-либо, тем больше его гравитация.
информация : (в отличие от данных) Предоставленные факты или тенденции, полученные в отношении чего-либо или кого-либо, часто в результате изучения данных.
инфракрасный : Вид электромагнитного излучения, невидимый человеческому глазу. Название включает латинский термин и означает «ниже красного». Инфракрасный свет имеет длину волны больше, чем видимый человеку. Другие невидимые длины волн включают рентгеновские лучи, радиоволны и микроволны. Инфракрасный свет имеет тенденцию регистрировать тепловую сигнатуру объекта или окружающей среды.
проницательность : Способность получить точное и глубокое понимание ситуации, просто подумав о ней, вместо того, чтобы вырабатывать решение путем экспериментов.
журнал : (в науке) Публикация, в которой ученые делятся результатами своих исследований с экспертами (а иногда и с общественностью). Некоторые журналы публикуют статьи из всех областей науки, техники, техники и математики, в то время как другие посвящены какой-то одной теме. Рецензируемые журналы являются золотым стандартом: они отправляют все присланные статьи внешним экспертам для прочтения и критики. Цель здесь состоит в том, чтобы предотвратить публикацию ошибок, мошенничества или работы, которая не является новой или убедительно продемонстрированной.
световой год : Расстояние, которое свет проходит за один год, составляет около 9,46 триллионов километров (почти 6 триллионов миль). Чтобы получить некоторое представление об этой длине, представьте себе веревку, достаточно длинную, чтобы обернуть ее вокруг Земли. Его длина составит немногим более 40 000 километров (24 900 миль). Выложи прямо. Теперь кладем еще 236 миллионов такой же длины, встык, сразу после первого. Общее расстояние, которое они теперь охватывают, равнялось бы одному световому году.
магнитное поле : Область влияния, создаваемая определенными материалами, называемыми магнитами, или движением электрических зарядов.
масса : число, показывающее, насколько объект сопротивляется ускорению и замедлению — в основном мера того, из какого количества материи состоит этот объект.
Млечный Путь : Галактика, в которой находится Солнечная система Земли.
луна : Естественный спутник любой планеты.
сеть : Группа взаимосвязанных людей или вещей. (v.) Акт установления связи с другими людьми, которые работают в данной области или занимаются аналогичными делами (такими как художники, бизнес-лидеры или группы медицинской поддержки), часто путем посещения собраний, где таких людей можно было бы ожидать, а затем в чате. их вверх. (сущ. сеть)
Нобелевская премия : Престижная премия имени Альфреда Нобеля. Наиболее известный как изобретатель динамита, Нобель был богатым человеком, когда он умер 10 декабря 1896 года. В своем завещании Нобель оставил большую часть своего состояния для создания премий тем, кто сделал все возможное для человечества в области физики, химия, физиология или медицина, литература и мир. Победители получают медаль и крупную денежную премию.
обсерватория : (в астрономии) Здание или сооружение (например, спутник), в котором находится один или несколько телескопов. Или это может быть система конструкций, составляющих телескопический комплекс.
орбита : Изогнутый путь небесного объекта или космического корабля вокруг галактики, звезды, планеты или луны. Один полный оборот вокруг небесного тела.
сверстник : (существительное) Тот, кто равен ему по возрасту, образованию, статусу, обучению или некоторым другим характеристикам. (глагол) Рассматривать что-либо, искать детали.
физик : Ученый, изучающий природу и свойства материи и энергии.
физика : Научные исследования природы и свойств материи и энергии. Классическая физика — это объяснение природы и свойств материи и энергии, основанное на таких описаниях, как законы движения Ньютона. Квантовая физика, область исследований, возникшая позже, является более точным способом объяснения движения и поведения материи. Ученый, работающий в таких областях, известен как физик.
плазма : (в химии и физике) Газообразное состояние вещества, в котором электроны отделяются от атома. Плазма включает в себя как положительно, так и отрицательно заряженные частицы. (в медицине) Бесцветная жидкая часть крови.
глубокий : Качество быть большим по величине или очень интенсивным. Или это может описать человека, который проницателен и / или обладает большими знаниями.
радио : Относится к радиоволнам или устройству, которое принимает эти передачи. Радиоволны — это часть электромагнитного спектра, которую люди часто используют для дальней связи. Более длинные, чем волны видимого света, радиоволны используются для передачи радио- и телевизионных сигналов. Они также используются в радарах. Многие астрономические объекты также излучают часть своей энергии в виде радиоволн.
радиоволны : Волны в части электромагнитного спектра. Это тот тип, который люди сейчас используют для дальней связи. Более длинные, чем волны видимого света, радиоволны используются для передачи радио- и телевизионных сигналов. Они также используются в радарах.
относительность : (в физике) теория, разработанная физиком Альбертом Эйнштейном и показывающая, что ни пространство, ни время не постоянны, а зависят от скорости человека и массы объектов поблизости.
моделирование : (v. моделирование) Анализ, часто выполняемый с помощью компьютера, некоторых условий, функций или внешнего вида физической системы. Компьютерная программа сделает это, используя математические операции, которые могут описать систему и то, как она может измениться с течением времени или в ответ на различные ожидаемые ситуации.
спектр : (множественное число: спектры) Диапазон связанных вещей, которые появляются в некотором порядке. (по свету и энергии) Диапазон видов электромагнитного излучения; они охватывают диапазон от гамма-лучей до рентгеновских лучей, ультрафиолетового света, видимого света, инфракрасной энергии, микроволн и радиоволн.
стандарты : (в исследованиях) Ценности или материалы, используемые в качестве эталонов, с которыми можно сравнивать другие вещи. Например, часы пытаются соответствовать официальному эталону времени — секунде, рассчитанной по официальным атомным часам. Точно так же ученые стремятся идентифицировать химическое вещество, сопоставляя его свойства с известным стандартом для конкретного химического вещества. (в правилах) Предел, выше которого что-либо нельзя использовать, продавать или считать безопасным.
9Звезда 0013 : основной строительный блок, из которого состоят галактики. Звезды развиваются, когда гравитация сжимает облака газа. Когда они станут достаточно горячими, звезды будут излучать свет, а иногда и другие формы электромагнитного излучения. Солнце — наша ближайшая звезда.
солнце : Звезда в центре Солнечной системы Земли. Это около 27 000 световых лет от центра галактики Млечный Путь. Также термин для любой солнцеподобной звезды.
телескоп : обычно светособирающий инструмент, который заставляет отдаленные объекты казаться ближе за счет использования линз или комбинации изогнутых зеркал и линз. Некоторые, однако, собирают радиоизлучение (энергию из другой части электромагнитного спектра) через сеть антенн.
теоретик : Ученый, чья работа основана на математическом анализе и компьютерных моделях событий и физических объектов или явлений – не на экспериментах, которые проверяют ситуации в реальном мире или используют тестирование и наблюдения для сбора данных.
теория : (в науке) Описание некоторых аспектов мира природы, основанное на обширных наблюдениях, тестах и рассуждениях. Теория также может быть способом организации обширной совокупности знаний, применимых в широком диапазоне обстоятельств для объяснения того, что произойдет. В отличие от общепринятого определения теории, теория в науке — это не просто догадка. Идеи или выводы, основанные на теории, но еще не на достоверных данных или наблюдениях, называются теоретическими. Ученые, которые используют математику и/или существующие данные для прогнозирования того, что может произойти в новых ситуациях, известны как теоретики.
клад : Коллекция ценных вещей.
турбулентный : (сущ. турбулентность) Прилагательное, обозначающее непредсказуемые флуктуации жидкости (включая воздух), при которых ее скорость изменяется неравномерно, а не поддерживается постоянный или спокойный поток.
уникальный : Нечто не похожее ни на что другое; единственный в своем роде.
Вселенная : Весь космос: Все, что существует в пространстве и времени. Он расширялся с момента своего образования во время события, известного как Большой взрыв, около 13,8 миллиардов лет назад (плюс-минус несколько сотен миллионов лет).
волна : Возмущение или изменение, которое распространяется в пространстве и материи регулярным, колебательным образом.
длина волны : Расстояние между одним пиком и следующим в серии волн или расстояние между одним впадиной и следующим. Это также один из «критериев», используемых для измерения радиации. Видимый свет, который, как и все электромагнитное излучение, распространяется волнами, включает длины волн от 380 нанометров (фиолетовый) до 740 нанометров (красный). Излучение с длиной волны короче видимого света включает гамма-лучи, рентгеновские лучи и ультрафиолетовый свет. К длинноволновому излучению относятся инфракрасный свет, микроволны и радиоволны.
Цитаты
Журнал: К. Акияма и др. . Результаты первого телескопа «Горизонт событий» Стрельца А*. I. Тень сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути. Письма из астрофизического журнала . Том. 930, 10 мая 2022 г., с. L12 doi: 10.3847/2041-8213/ac6674.
Журнал: К. Акияма и др. . Результаты первого телескопа «Горизонт событий» Стрельца А*. II. ЭГТ- и многоволновые наблюдения, обработка и калибровка данных. Письма из Астрофизического Журнала . Том. 930, 10 мая 2022 г., с. Л13. дои: 10.3847/2041-8213/ac6675.
Журнал: K. Akiyama et al. Результаты первого телескопа «Горизонт событий» Стрельца А*. III. Изображение сверхмассивной черной дыры в центре галактики The Astrophysical Journal Letters . Том. 930, 10 мая 2022 г., с. Л14. дои: 10.3847/2041-8213/ac6429.
Журнал: K. Akiyama et al. Результаты первого телескопа «Горизонт событий» Стрельца А*. IV. Переменность, морфология и масса черной дыры Письма из Астрофизического Журнала . Том. 930, 10 мая 2022 г., с. Л15. doi: 10.3847/2041-8213/ac6736.
Журнал: K. Akiyama et al. Результаты первого телескопа «Горизонт событий» Стрельца А*. V. Проверка астрофизических моделей черной дыры в центре галактики The Astrophysical Journal Letters . Том. 930, 10 мая 2022 г., с. Л16. дои: 10.3847/2041-8213/ac6672.
Журнал: K. Akiyama et al. Результаты первого телескопа «Горизонт событий» Стрельца А*. VI. Тестирование метрики черной дыры Письма из Астрофизического Журнала . Том. 930, 10 мая 2022 г., с. Л17. doi: 10.3847/2041-8213/ac6756.
Журнал: Х. Бойс и др. . Одновременные рентгеновские и инфракрасные наблюдения изменчивости Стрельца А*. Астрофизический журнал . Том. 871, 1 февраля 2019 г., с. 161. doi: 10.3847/1538-4357/aaf71f.
Журнал: S.E. Гралла. Можно ли использовать результаты EHT M87 для проверки общей теории относительности? Физический обзор D . Том. 103, 15 января 2021 г., 024023. doi: 10.1103/PhysRevD.103.024023.
Лиз Крузи — временный обозреватель астрономических новостей журнала Science News . Она пишет об астрономии и космосе с 2005 года, а в 2013 году получила награду за научную журналистику Отдела астрофизики высоких энергий AAS. Она имеет степень бакалавра физики Университета Лоуренса в Эпплтоне, штат Висконсин.
Новости науки Писатель-физик Эмили Коновер изучала физику в Чикагском университете. Она любит физику за ее способность раскрывать тайные правила работы вещей, от крошечных атомов до огромного космоса.
Как выглядит черная дыра?
Мы не знаем наверняка, потому что нам никогда не удавалось сфотографировать ни одного. Все может измениться.
Фото/любезно предоставлено EHT
Лоуренс Гудман, октябрь. 12, 2018
В центре нашей галактики находится вращающаяся, извергающая энергию сверхмассивная черная дыра, называемая Стрельцом A* или сокращенно Sgr A*. В течение миллиардов лет в него попадали окружающие газ и пыль. Примерно каждые 10 000 лет он проглатывает ближайшую звезду.
Sgr A* (произносится как Saj-A-star) — самая большая черная дыра в нашем ночном небе, но мы не знаем, как она выглядит вблизи, потому что нам никогда не удавалось ее сфотографировать.
На самом деле это верно для всех черных дыр.
Они повсюду в нашей вселенной, но в небе они настолько малы, что у нас нет подробного изображения ни одного из них.
Картинки, которые вы видите в Интернете или в телевизионных документальных фильмах, являются иллюстрациями или симуляциями, основанными на косвенных доказательствах — наблюдениях области пространства вокруг черной дыры. Ученые не сомневаются в существовании черных дыр, но без изображения они не могут это доказать наверняка.
Все может измениться.
В течение последних четырех лет профессор астрофизики Джон Уордл работал с группой примерно из 200 ученых и инженеров над созданием изображения Sgr A*, которое станет нашим первым изображением черной дыры. Инициатива под названием Event Horizon Telescope (EHT) завершила сбор данных в апреле 2017 года. В настоящее время исследователи их анализируют.
В зависимости от результатов изображение Стрельца А*, которое они создают, может выглядеть следующим образом:
Фото предоставлено EHT
Компьютерное моделирование изображений, которые исследователи EHT надеются создать. Яркие области — это горячий газ, окружающий черную дыру. Круглая темная область — это тень, отбрасываемая сильной гравитацией черной дыры.
Это может показаться не таким уж большим, но создание этого чернового изображения Sgr A* равносильно чтению газетного заголовка на Луне, стоя на Земле.
На самом деле, этого достаточно, чтобы ответить на некоторые из наших самых больших оставшихся без ответа вопросов об одном из самых загадочных явлений во Вселенной: как выглядят свет и материя, когда они падают в черную дыру? Из чего состоят потоки энергии, вырывающиеся из черных дыр? Какую роль сыграли черные дыры в формировании галактик?
Хотя это маловероятно, но результаты EHT могут даже потребовать внесения поправок в общую теорию относительности Эйнштейна.
Но прежде чем мы перейдем к тому, что один из величайших ученых, когда-либо живших, не понял это правильно, мы должны начать с основ.
Факты
Черные дыры обычно образуются, когда очень массивная звезда сжигает свое ядерное топливо и катастрофически коллапсирует в невероятно плотную точку или сингулярность.
Когда газ, звезды и другая материя подходят достаточно близко к черной дыре, они притягиваются к горизонту событий черной дыры, воображаемой оболочке вокруг сингулярности. Ничто, пересекающее порог горизонта событий, не может избежать гравитационного притяжения черной дыры. По мере того, как материя падает внутрь, черная дыра становится более массивной, а горизонт событий расширяется.
Оказывается, черные дыры повсюду. Сверхмассивные лежат в центре большинства галактик. Менее массивные черные дыры встречаются гораздо чаще. В нашей галактике Млечный Путь, вероятно, насчитывается около 100 миллионов черных дыр, хотя мы идентифицировали лишь несколько десятков из них.
Что касается Sgr A*, то он находится на расстоянии около 26 000 световых лет от Земли, а его масса в четыре миллиона раз превышает массу Солнца. Это делает ее «слабой» по сравнению с другими сверхмассивными черными дырами, говорит Уордл. Другая сверхмассивная черная дыра, которую изучает EHT, Мессье 87 (M87) в центре скопления Девы, имеет массу почти в семь миллиардов раз больше солнечной.
Хотя это маловероятно, результаты EHT могут даже потребовать внесения поправок в общую теорию относительности Эйнштейна. EHT выбрал Sgr A* и M87, потому что они являются самыми большими сверхмассивными черными дырами, если смотреть с Земли. Это самые простые и доступные кандидаты для изучения.
Но как мы можем сфотографировать черную дыру, если она черная?
Хороший вопрос. На самом деле черные дыры такие же черные, как чернота космоса. Любой свет, который входит, никогда не уходит.
Но вокруг черной дыры есть свет от светящегося водоворота перегретой материи, которая еще не попала в черную дыру. Когда свет проходит вблизи горизонта событий, он изгибается и искажается под действием сильной гравитации черной дыры.
Это линзирование света очерчивает темную область, называемую тенью черной дыры. Ожидается, что размер тени будет в два с половиной раза больше размера горизонта событий. Размер горизонта событий пропорционален массе черной дыры. Для Sgr A* это составляет около 15 миллионов миль в диаметре. А диаметр M87, другой черной дыры, которую изучает EHT, в тысячу раз больше.
Вы понимаете: изучая тень черной дыры, исследователи EHT могут многое узнать о черной дыре.
С технической точки зрения, ученые EHT не будут создавать изображение черной дыры. Они будут использовать информацию о тени, чтобы вывести информацию о черной дыре.
Но поскольку изображение черной дыры невозможно (по крайней мере, в настоящее время), ученые считают изображение тени убедительным доказательством существования черной дыры.
Введите Джона Уордла.
Фото/Майк Ловетт
Джон Уордл
Когда Уордл начал заниматься астрофизикой в конце 1960-х годов, анализируя радиоволны, излучаемые галактиками, «черные дыры были просто диковинкой, которая могла существовать или не существовать», — сказал он. «Это была немного сомнительная область для астронома».
Но несколько лет спустя поле взорвалось, и поскольку черные дыры питают энергетические струи, излучающие радиоволны, он, естественно, тяготел в их сторону (без каламбура).
В составе Радиоастрономической группы Брандейса Уордл изучает «активные галактики» — относительно редкий тип сверхярких галактик со сверхмассивными черными дырами в центре.
Сеть
Авторы и права: Кристи Джонсон
EHT состоит из восьми объединенных в сеть телескопов в шести местах по всему миру. (Чили и Гавайи — по два.)
Sgr A* настолько мала в небе, что у нас нет ни одного телескопа на Земле, который мог бы рассмотреть его достаточно подробно, чтобы сделать фотографию с высоким разрешением.
Ученые EHT преодолели эту проблему, объединив в сеть восемь телескопов в шести местах по всему миру, используя метод, называемый интерферометрией со сверхдлинной базой (VLBI). Результатом стал «виртуальный телескоп» с разрешающей способностью телескопа размером с диаметр Земли.
В течение недели в апреле 2017 года все телескопы EHT записывали сигналы от Sgr A*. Семь атомных часов фиксировали время прихода сигналов на каждый телескоп.
Характер сигналов и время их поступления в каждый телескоп позволят ученым работать в обратном направлении, чтобы построить изображение Sgr A*. Это займет некоторое время. Телескопы EHT собрали достаточно данных, чтобы заполнить 10 000 ноутбуков.
Большие струи
Уордл особенно заинтересован в том, чтобы узнать больше об массивных струях энергии, исходящих из черных дыр.
Джеты образуются, когда материя вне черной дыры нагревается до миллиардов градусов. Он вращается в так называемом аккреционном диске. Часть из них проходит точку невозврата, горизонт событий, и попадает в черную дыру.
Но черные дыры едят неряшливо. Часть вещества будет выплевывать в виде сфокусированных (коллимированных) струй. Джеты летят со скоростью, близкой к скорости света, на десятки тысяч световых лет.
Возможно, от Sgr *A не летят струи. В последние несколько десятилетий он был не очень активен.
Но если джеты существуют, телескопы EHT уловили их радиосигналы. Затем команда EHT может использовать эту информацию, чтобы попытаться ответить на то, что, по словам Уордла, является большим вопросом о джетах без ответа:
Из чего они сделаны, из электронов и позитронов, электронов и протонов или из электромагнитных полей?
Как они начинаются?
Как они разгоняются почти до скорости света?
Как они остаются сосредоточенными?
И вот, наконец, мы добрались до Эйнштейна
До недавнего времени свидетельства в поддержку общей теории относительности (ОТО) поступали из наблюдений за нашей Солнечной системой. Но условия в нашем маленьком уголке Вселенной довольно мягкие. Экстремальные условия вблизи черной дыры станут серьезным испытанием для ОТО.
ОТО должно точно описывать, как свет изгибается, когда массивное гравитационное притяжение черной дыры искривляет пространство-время и притягивает все к себе. Данные, собранные EHT, обеспечат измерения этого явления, которые можно будет сравнить с предсказаниями Эйнштейна.
Формулы ОТО также предполагают, что тень, отбрасываемая аккреционным диском вокруг Sgr A*, будет почти круглой. Если окажется, что он имеет форму яйца, это скажет нам, что что-то не так и с ОТО.
Уордл считает, что GR выдержит испытания. Тем не менее, всегда есть шанс, что GR «придется скорректировать», сказал он. «Тогда мы будем в серьезной смирительной рубашке, потому что вы не можете вносить изменения, которые испортят все остальные части, которые работают. Это было бы очень интересно.»
Разрушая умопомрачительную черную дыру Млечного Пути Изображение
В 2019 году астрономы запечатлели скрытый кусочек Вселенной, чтобы мы могли загрузить его на экраны наших компьютеров. Это было первое в истории изображение черной дыры, и оно показало жестокость космического зверя. Эта хаотическая пустота, получившая название M87*, извергает струю света и пронзает галактику, в которой живет. Но для неподготовленного землянина это выглядит как фруктовая петля.
12 мая той же группе широко раскрытых глаз ученых удалось собрать воедино еще одно ошеломляющее изображение космической бездны. Хотя на этот раз это была «тихая, безмолвная» черная дыра в нашей собственной галактике Млечный Путь под названием Стрелец A* или Sgr A*. Тем не менее, он также выглядит как Fruit Loop, но, возможно, становится мокрым.
Оба изображения являются замечательными достижениями в области астрономии. Возможно, это самые захватывающие дух снимки, которые когда-либо видело человечество. И они выглядят как расплывчатые оранжевые подушки для шеи — или, как выразился Ферьял Озель, астрофизик из Аризонского университета и член коллаборации Event Horizon Telescope, «кажется, что черные дыры похожи на пончики».
Итак, на что именно мы смотрим? «Когда мы смотрим в сердце каждой черной дыры, мы обнаруживаем яркое кольцо, окружающее тень черной дыры», — сказал Озель.
Прежде чем перейти к деталям, важно отметить, что оба изображения черных дыр, которые мы видим, не являются фотографиями, к которым мы привыкли изо дня в день. Они исходят из наблюдений за радиоволнами, которые работают, обнаруживая интенсивность световых частиц или фотонов в космосе, а затем переводя эти сигналы в видимые узоры. Например, сверхинтенсивные фотоны «ярче».
На этом изображении показана Большая миллиметровая/субмиллиметровая решетка Атакама в Чили, часть коллаборации Event Horizon Telescope, которая смотрит на Млечный Путь, а также местонахождение Стрельца A*, сверхмассивной черной дыры в нашем галактическом центре. В рамке выделено изображение Стрельца А*, полученное в результате совместной работы.
ESO/Хосе Франсиско Сальгадо, коллаборация EHT
Черные дыры на самом деле не черные дыры
Черная дыра не совсем черная и не совсем дыра.
Скорее, это сложная сущность с несколькими движущимися частями, как у людей, имеющих кучу биологических систем тела. Но чтобы понять недавнее изображение Sgr A*, сделанное EHT, вам нужно знать три основных аспекта анатомии черной дыры.
Во-первых, сингулярность.
Черные дыры обычно образуются, когда гигантские звезды коллапсируют и вся бывшая звездная материя превращается в единую точку. Эта точка называется «сингулярностью» и обладает такой огромной массой — от мертвой звезды — что ее гравитация преодолевает все и вся, к несчастью, если подойти слишком близко.
Включая газ, пыль и даже свет. На самом деле гравитационное притяжение этой сущности настолько сильно, что буквально искажает ткань пространства и времени. Но и на снимках M87*, и на снимках Sgr A* эта точка для нас невидима. Мы должны представить его прямо в центре.
Иллюстрация анатомии черной дыры.
ЕСО
Во-вторых, горизонт событий.
Горизонт событий — это, по сути, граница между нашей вселенной и неуловимыми внутренностями пустоты. Он находится на определенном, очень конкретном расстоянии от точки сингулярности, называемой радиусом Шварцшильда. У каждой черной дыры есть один из них, и это, вероятно, придает черным дырам репутацию «черных».
Все, что попадает за горизонт событий, попадает в какое-то скрытое царство, которое кажется нам тьмой, потому что там заключен даже свет. Содержимое за горизонтом никогда не вернется. Мы не знаем, что с ними происходит.
На изображениях EHT это альтернативное, похожее на реальность, сферическое пространство между сингулярностью и горизонтом событий обозначено черными кружками. Более конкретно, темные центральные части — это тени горизонта событий.
«Тень — это изображение горизонта событий, это линия нашего взгляда на черную дыру», — сказал Майкл Джонсон, член EHT и астрофизик из Центра астрофизики Гарвардского Смитсоновского института.
Но мы к этому еще вернемся.
В-третьих, что наиболее важно для пылающих пончиков, это фотонная сфера.
Повсюду вокруг сингулярности и горизонта событий пелена горячего газа и пыли находится в ловушке на вечной орбите вокруг этих оглушающих бездн в так называемых аккреционных дисках. Если что-то из этого диска попадает в радиус Шварцшильда, то есть за горизонт событий, оно теряется во вселенной черной дыры. Но свет делает что-то хитрое здесь. И это дает нам нашу картину черной дыры.
В отличие от газа или пыли, свет может деликатно скользить на цыпочках в пределах радиуса Шварцшильда, не закручиваясь по спирали в пустоту. И если эти фотоны путешествуют в только в правильном направлении, «свет, выходящий из горячего газа, вращающегося вокруг черной дыры, кажется нам ярким кольцом», — сказал Озель. «Свет, который находится достаточно близко, чтобы быть поглощенным им, в конце концов пересекает его горизонт и оставляет после себя только темную пустоту в центре».
Вот почему коллаборация EHT называет свои изображения «сердцами» черных дыр. Изображения увеличены на фотонной сфере, которая технически приближается даже ближе к ошеломляющей, искривляющей пространство-время сингулярности, чем даже к горизонту событий. Если эти пустоты были людьми, мы смотрим на их бьющиеся сердца.
В ночном небе, для контекста, тень внутри кольца составляет около 52 угловых микросекунд, что примерно соответствует размеру пончика на Луне, если смотреть с Земли. Видео ниже (восхитительно) иллюстрирует этот момент.
«Мы обнаружили, что можем измерить диаметр кольца с точностью около 5%, — сказал Джонсон. «Большая часть неопределенности здесь на самом деле потому, что мы не знаем, вращается ли черная дыра, а вращение оказывает небольшое влияние на диаметр тени».
Но все это искривлено
Пространство и время, или пространство-время, вокруг черных дыр полностью искривлено.
По мере того, как легкие частицы или фотоны покидают вращающийся газовый аккреционный диск и проверяют пределы горизонта событий, они следуют по искривленному пространственно-временному пути. Следовательно, оранжевый свет, который вы видите в верхней части изображения черной дыры, полученного с помощью EHT, на самом деле не находится «сверху» черной дыры. На самом деле он связан с дальним концом горизонта событий и частью кольца, подобного Сатурну, вокруг всего объекта. Дело в том, что искривление пространства-времени заставляет эти дальние фотоны «сворачиваться» к нам.
Следующее видео помогает понять это.
Хотя это симуляция двойной системы черных дыр, обратите внимание, когда синяя черная дыра находится за оранжевой черной дырой, вы можете видеть всю синюю дыру сверху и снизу оранжевой. Примерно то же самое происходит и с одиночными черными дырами, за исключением света, вращающегося вокруг их сингулярности. На самом деле, это происходит с каждой черной дырой на видео.

Точно так же сам горизонт событий следует своего рода искривлению. В основном мы можем видеть дальний конец горизонта событий, а также, по сути, все углы горизонта 9.0163 . Все «свернуто» к нам. Увы, темные центральные части этих изображений лучше считать «тенями» горизонта событий. Просто подумайте о них как о точке невозврата для фотонов, которую можно визуализировать, потому что мы видим счастливые световые частицы, которые не попали в ловушку там, слоняясь вокруг барьера между наблюдаемой Вселенной и. .. тем, что находится внутри тьма черной дыры.

В каком-то смысле мы смотрим не только на изображения черных дыр, но и на прямое свидетельство искривления пространства-времени . То есть мы смотрим на прямое доказательство общей теории относительности Эйнштейна, гениального взгляда на гравитацию.

И, к сведению общей теории относительности, причина, по которой некоторые части светового кольца ярче других, заключается в явлении, называемом гравитационным линзированием. Гравитационное линзирование в основном усиливает некоторые фотоны из-за странных последствий искривления пространства-времени.

Спецификации Sgr A*

Теперь, когда мы знаем, на что смотрим, вот некоторые характеристики недавно полученной черной дыры.

Sgr A* находится на расстоянии 26 000 световых лет от Земли и имеет массу, примерно в 4 миллиона раз превышающую массу нашего Солнца. M87*, напротив, находится примерно в 54 миллионах световых лет от нас и в 1000 раз массивнее SgrA*. Кроме того, Стрелец А* гораздо менее агрессивен — или «голоден», как иногда говорят астрономы. Он не потребляет столько газа из окружающей среды, как M87*.

Изображение показывает масштаб Sgr A* в сравнении как с M87*, так и с другими элементами Солнечной системы, такими как орбиты Плутона и Меркурия. Также отображается диаметр Солнца и текущее местоположение космического корабля «Вояджер-1», самого дальнего от Земли космического корабля.

Сотрудничество EHT, Лия Медейрос

«Мы видим, что лишь струйка материала на самом деле достигает черной дыры», — сказал Джонсон. «Если бы Sgr A* был человеком, он бы потреблял одно рисовое зернышко раз в миллион лет».

Таким образом, говорит он, черная дыра неэффективна. «Он излучает всего в несколько сотен раз больше энергии, чем Солнце, несмотря на то, что он в 4 миллиона раз массивнее — единственная причина, по которой мы вообще можем его изучать, — это то, что он находится в нашей собственной галактике».