Содержание
Охота на невидимок: как ученые ищут черные дыры
Черные дыры — возможно, самые странные объекты во Вселенной, но их свойства очень трудно изучать, ведь они невидимы. Однако на сегодняшний день ученые разработали уже несколько способов найти следы этих монстров и совсем недавно рассказали об очередном богатом улове
Черные дыры были предсказаны общей теорией относительности (ОТО), созданной Альбертом Эйнштейном. Эта теория рассматривает гравитацию как искривление пространства-времени. В 1915 году Карл Шварцшильд сделал из уравнений ОТО удивительный вывод. Допустим, что существует объект невообразимой плотности: при массе Земли он будет иметь радиус порядка одного сантиметра, а при массе Солнца — несколько километров. Тогда тяготение этого сверхплотного монстра свернет вокруг него пространство-время. В этой искривленной геометрии прямые линии, по которым движутся лучи света, превратятся в замкнутые кольца.
По ним свет и будет путешествовать, никогда не добираясь до удаленного наблюдателя. Вот почему ничто, даже свет, не сможет вырваться наружу из этого кокона.
Но откуда возьмется этот аттракцион невиданной плотности? Какая сила может сжать звезду до размера в несколько километров? Черные дыры долго казались абсурдом, теоретическим курьезом. Скепсис по их поводу выражал и сам Эйнштейн.
Однако в 1930-1960-хх гг. теоретики доказали, что черные дыры могут возникать при взрыве самых массивных звезд (массой более 30 солнц). В конце жизни такое светило взрывается как сверхновая. При этом внешние слои звезды улетают в космос, а ядро стремительно сжимается и превращается в черную дыру.
Пламя над бездной
Пока теоретики искали черные дыры в дебрях своих выкладок, наблюдатели совершенно неожиданно нашли их в космосе. Удивительно, но всепоглощающие невидимки оказались светильниками космического масштаба.
Дело в том, что у черной дыры «короткие руки». Поверхность, из-под которой не может вырваться никто и ничто, имеет вполне конкретный радиус. Измеренный в километрах, он равен утроенной массе черной дыры, измеренной в массах Солнца. Все, что находится дальше, может со временем упасть в черную дыру, но может и ускользнуть. А уж свет и другое излучение ускользает с легкостью.
В центрах галактик есть сверхмассивные черные дыры массой от миллионов до десятков миллиардов солнц. Некоторые из них окружены плотным облаком вещества, которое они с удовольствием поглощают. Потоки материи, кружащие над черной дырой, но еще не пересекшие «границу невозврата», сталкиваются друг с другом и разогреваются трением до огромных температур. Раскаленный газ ярко светится в рентгеновском, а иногда и в других диапазонах. В результате светимость некоторых черных дыр достигает сотен триллионов солнц, превращая их в мощнейшие источники излучения во Вселенной.
Материал по теме
Сверхмассивные черные дыры в центрах галактик были открыты в 1960-х гг. Правда, осторожные ученые далеко не сразу признали, что это именно черные дыры, а не какие-то другие тела. Окончательные доказательства были получены уже в этом столетии. В 2008 году Райнхард Генцель и Андреа Гез доказали, что объект в центре нашей собственной Галактики может быть только черной дырой (за что и получили Нобелевскую премию по физике 2020 года, вместе с теоретиком Роджером Пенроузом). А в 2019 году коллаборация «Телескоп горизонта событий» (Event Horizon Telescope) исследовала центральную черную дыру галактики M87. Тогда астрономы впервые в истории получили настолько детальное изображение (в радиоволнах), что разглядели саму черную дыру, а не просто падающее на нее вещество.
Сегодня наблюдателям известны миллионы сверхмассивных черных дыр, открытые благодаря их излучению. Но считается, что в центре практически каждой крупной галактики (а их в видимой Вселенной сотни миллиардов) есть собственный сверхмассивный монстр, просто большинство из них уже исчерпало запасы вещества и перестало светиться.
Правда, до сих пор не вполне понятно, как образуются такие громадины.
Танцы со звездами
А как же черные дыры, которые получаются из ядер массивных звезд? Они тоже испускают рентгеновские лучи, если поглощают материю. Вот только эти крошки редко могут похвастаться королевской трапезой. Черная дыра звездной массы может устроить себе пир, только медленно поглощая звезду-спутник. Если этот светило-компаньон располагается слишком близко, мощная гравитация черной дыры буквально растягивает его, делая похожим не на шар, а на картофелину, и отрывает его вещество по кусочку.
Сами по себе звездные пары — явление заурядное. Но они редко бывают настолько тесными, чтобы черная дыра получила шанс на каннибальский обед. Вот почему наблюдателям-«рентгенологам» известно лишь несколько десятков черных дыр звездной массы, хотя первая из них была найдена еще в 1970-х. Теоретически же в одном только Млечном Пути должны быть сотни миллионов черных дыр, возникших из взорвавшихся звезд.
Есть и еще один способ находить черные дыры звездной массы благодаря их спутникам. Он не требует, чтобы черная дыра пожирала своего компаньона. Нужно лишь внимательно следить за движением звезды. Так можно зафиксировать, что светило обращается вокруг чего-то невидимого, и вычислить массу невидимки. Если последняя тяжелее трех солнц, она может быть только черной дырой: для нейтронной звезды это слишком большая масса, а обычная звезда светилась бы.
Материал по теме
Потенциально таким способом можно обнаружить множество космических невидимок. Но он требует уж очень тщательных наблюдений, поэтому пока подарил нам лишь несколько черных дыр. Кстати, совсем недавно ученые впервые применили его к объекту за пределами Галактики. Они обнаружили черную дыру массой 9–13 солнц в Большом Магеллановом Облаке — галактике-спутнике Млечного Пути. Правда, для этого потребовалось два с лишним года наблюдений на VLT, самом большом оптическом телескопе в мире.
Ранее черные дыры звездной массы за пределами Млечного Пути находили только благодаря рентгеновскому излучению или гравитационным волнам.
Сотрясение пространства и времени
Кстати, о последних. Гравитационная волна — это искажение пространства-времени. Она меняет само расстояние между точками пространства. Но не надейтесь, оседлав волну, сократить путь до работы: эти колебания невероятно малы. Теоретически гравитационная волна возникает всегда, когда физическое тело движется с ускорением, даже если это падающее на пол перышко. На практике же даже самые чувствительные современные детекторы различают гравитационное «эхо» лишь таких космических катаклизмов, как столкновения черных дыр или нейтронных звезд. Немудрено: под действием этого «гравитационного цунами» даже километровые расстояния меняются меньше чем на радиус протона! Установки, фиксирующие подобные колебания — настоящее чудо инженерного искусства.
Первый «сезон охоты» на гравитационные волны, принесший какие-то результаты, состоялся в 2015-2016 гг.
Он проводился с помощью американского детектора LIGO (стоившего, кстати, $365 млн). Тогда физики зафиксировали три столкновения черных дыр. После этого детектор остановили, чтобы повысить его чувствительность. И не зря: во втором сезоне (2016–2017 гг) было зафиксировано уже семь столкновений черных дыр и одно столкновение нейтронных звезд. Отметим, что с этого сезона к LIGO присоединился европейский детектор VIRGO. Но ученые не остановились на достигнутом и снова модернизировали установки. В результате сезон 3a (апрель–сентябрь 2019 года) принес уже 44 события, то есть они регистрировались чаще, чем раз в неделю. И совсем недавно исследователи подвели итоги сезона 3b (ноябрь 2019-го – март 2020 гг.). Зафиксировано 35 событий, в том числе первые столкновения черных дыр с нейтронными звездами. О 18 из этих 35 «космических ДТП» ученые ранее сообщали по горячим следам, а об остальных 17 они отчитались впервые. К слову, ближе к концу этого сезона к поискам присоединился третий и пока последний детектор — японский KAGRA.
Таким образом, на сегодня зафиксировано около 90 столкновений черных дыр друг с другом или (гораздо реже) с нейтронными звездами. Для каждой отдельной галактики это чрезвычайно редкое событие. Но детекторы обозревают пространство на сотни миллионов световых лет, и в их поле зрения попадает множество галактик.
ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ ВСЕЛЕННОЙ | Наука и жизнь
В этом явлении,
казалось, содержится столько
необъяснимого, почти мистического,
что даже Альберт Эйнштейн, чьи
теории, по сути дела, породили
представление о черных дырах, сам
просто не верил в их существование.
Сегодня астрофизики все больше
убеждаются, что черные дыры — это
реальность.
Лучи света в окрестностях черной дыры.
Звезды и облака газа в туманности Андромеды.
Результат компьютерного моделирования полей тяготения. Так все это могло бы выглядеть в том случае, если вращающаяся черная дыра находится где-то между Землей и галактикой Андромеды.
Если какой-то фантастический космонавт попадет в черную дыру, силы притяжения будут вытягивать его все больше и больше, пока не разорвут на молекулы, затем на атомы, а потом на элементарные частицы.
Галактика М84 удалена от Земли на 50 миллионов световых лет.
Чтобы отыскать черную дыру, надо исследовать движение вращающихся масс.
На фото: квазары, излучающие чудовищно огромные количества энергии (1).
На рисунках: черная дыра засасывает газ и пыль (1).
Теория относительности Эйнштейна говорит, что вращающаяся масса увлекает за собой пространство. Недавно этот эффект был обнаружен астрономами.
‹
›
Открыть в полном размере
Математические
расчеты показывают — невидимые гиганты
есть
Четыре
года назад группа американских и
японских астрономов направила свой
телескоп на созвездие Гончих Псов,
на находящуюся там спиральную
туманность М106. Эта галактика
удалена от нас на 20 миллионов
световых лет, но ее можно увидеть
даже с помощью любительского
телескопа.
Многие считали, что она
такая же, как и тысячи других
галактик. При внимательном
изучении оказалось, что у
туманности М106 есть одна редкая
особенность — в ее центральной
части существует природный
квантовый генератор — мазер. Это
газовые облака, в которых молекулы
благодаря внешней «накачке»
излучают радиоволны в
микроволновой области. Мазер
помогает точно определить свое
местоположение и скорость облака, а
в итоге — и других небесных тел.
Японский
астроном Макото Мионис и его
коллеги во время наблюдений
туманности М106 обнаружили странное
поведение ее космического мазера.
Оказалось, что облака вращаются
вокруг какого-то центра, удаленного
от них на 0,5 светового года.
Особенно заинтриговала астрономов
скорость этого вращения:
периферийные слои облаков
перемещались на четыре миллиона
километров в час! Это говорит о том,
что в центре сосредоточена
гигантская масса.
По расчетам она
равна 36 миллионам солнечных масс.
Астрономы
отбросили предположение о том, что
такое количество материи может
быть очень плотным скоплением
звезд, которое мы не видим из-за
космической пыли. Звезды, входящие
в скопление, должны были бы
находиться на очень близком
расстоянии одна к другой. При такой
«толкучке» они непременно
начнут сталкиваться, и звездное
скопление довольно быстро
«рассыпется». Загадку хоровода
облаков ученые объяснили тем, что
они наблюдают черную дыру, вернее,
то, что происходит в ее
окрестностях. Ведь саму черную дыру
увидеть нельзя.
М106
— не единственная галактика, где
подозревается черная дыра. В
Туманности Андромеды, скорее всего,
тоже есть и примерно такая же по
массе — 37 миллионов Солнц.
Предполагается, что и в галактике
М87 — чрезвычайно интенсивном
источнике радиоизлучения -
обнаружена черная дыра, в которой
сосредоточено 2 миллиарда масс
Солнца!
Еще 200
лет назад вопросом о влиянии
гравитации на распространение
света звезд задался ныне мало кому
известный английский
естествоиспытатель Джон Мишелл.
Большинство ученых в те времена
считали, что свет состоит из частиц.
И Мишелл исходил из того, что
частицы света в своем движении
будут замедляться тяготением
звезды или планеты, от которой они
удаляются. Он сделал расчет: какой
должна быть наименьшая сила
притяжения, чтобы частицы света не
могли покинуть их источник. Его
вычисления говорили, что небесное
тело, весящее в 500 раз больше нашего
Солнца, вообще не позволит частицам
света покинуть его.
«Если
такие тела в природе действительно
существуют, — заключал свою работу
Мишелл, — их свет нас никогда не
достигнет». Идеи ученого на
какое-то время привлекли внимание
научных кругов, но последователей
он не обрел.
Прошло
13 лет, и французский философ Пьер
Симон Лаплас, по всей видимости
незнакомый с работами Мишелла,
пришел к аналогичному выводу. Но
тут вскоре было доказано, что свет -
волновое явление.
Гипотезы Мишелла
и Лапласа ученые оставили в
стороне. Все, что касалось
соображений о взаимодействии света
и гравитации, Лаплас в последующих
изданиях своих работ вычеркнул .
Жизнеописание
звезды
Более 100 лет проблема
взаимодействия света и гравитации
была в забвении. Но к ней пришлось
вернуться, когда в конце 1915 года
Эйнштейн опубликовал Общую теорию
относительности — революционное
объяснение сущности тяготения.
Представьте себе
свободное от гравитации
пространство как ровную резиновую
пленку. Вместо звезды у нас будет
тяжелый бильярдный шар. Положим его
на пленку — она прогнется. Второй
шар, находящийся рядом, будет
играть роль планеты. Он скатится в
углубление, сделанное первым шаром,
и шары столкнутся. Но если мы
заставим второй шар двигаться с
определенной скоростью по
окружности вокруг первого, то
столкновения шаров не будет -
центробежная сила уравновесит их
притяжение.
Вести себя так,
как шары на резиновой пленке,
должна и лучистая энергия — свет. В
присутствии тяготения он сохраняет
свою скорость, но траектория света,
попавшего в поле тяготения,
искривляется под его воздействием.
Немецкий астроном
Карл Шварцшильд настолько увлекся
теорией гравитации Эйнштейна, что
взялся исследовать, как все это
отражается на жизни звезд.
Полученные им формулы говорили, что
на определенном расстоянии от
звезды время, пространство и масса
становятся взаимозависимыми: время
может становиться пространством,
пространство — временем. Эти
парадоксы даже вообразить
невозможно, но математически они
отображаются четко. Согласно
уравнениям Общей теории
относительности, сильные поля
тяготения оказывают замедляющее
действие на время, искривляют
пространство.
Все эти
теоретические выводы прошли потом
проверку в экспериментах
астрономов и физиков и везде
получили подтверждение: парадоксы
теории относительности выступают и
в реальных событиях нашего мира, но
ощутимыми они становятся, когда
дело касается больших масс и
скоростей.
В последние годы еще раз
убедились в этом на примере
изучения такого явления, как черные
дыры.
Астрофизики
поняли, что уравнения Шварцшильда
годятся для звезд малых размеров.
Небесное тело, имеющее массу,
равную Солнцу, на последнем этапе
жизни должно «съежиться», его
радиус уменьшится до трех
километров — это так называемая
«граница Шварцшильда».
Продолжая изучать
природу звезд, астрофизики
установили, что это шары из газа,
внутри которых происходит
выделение энергии за счет слияния
атомов водорода и образования
более тяжелых атомов гелия. Возник
вопрос: а что произойдет со звездой,
когда ее топливо, водород, будет
исчерпано?
Индийский ученый
Субрахманьян Чандрасекар в 1930 году
пришел к выводу, что звезда с
массой, не превосходящей 1,4
солнечной, в конце своей жизни
превратится в звезду иного класса -
в белого карлика, который меньше,
чем земной шар.
Материя в ней сжата
так плотно, что атомы теряют свои
электронные оболочки. Электроны
начинают жить собственной жизнью.
Их свобода противостоит силам
тяготения внутри тела звезды и тем
самым сдерживает дальнейшее
спадание вещества к ее центру.
Более тяжелые звезды должны, как
считалось в начале изучения этой
проблемы, под действием
колоссальной гравитации сжиматься
еще больше. Но никто не представлял,
до каких пределов они могут
уменьшиться.
Два года спустя
после того, как были опубликованы
работы Чандрасекара, английский
физик Джеймс Чедвик открыл нейтрон.
Это помогло узнать конечную судьбу
тяжелых звезд: огромное тяготение
«вдавливает» свободные
электроны в протоны, и возникают
электрически нейтральные частицы -
нейтроны. Рождается нейтронная
звезда, вещество которой имеет
невероятную плотность. Кусочек
такой материи размером с кубик
пиленого сахара весит один
миллиард тонн, а нейтронная
песчинка уравновесила бы мощный
электровоз.
Но это относится к
судьбе звезд, которые имеют массу
не более трех солнечных. А что
случится со звездой более тяжелой?
Ответ на вопрос
нашли Роберт Оппенгеймер и его
ученики в 1939 году. По их
представлениям, нет такой силы,
которая могла бы противостоять
коллапсу (сжиманию вещества), если
масса звезды более чем в три раза
превосходит солнечную. В этом
случае — так говорит теория — все
вещество небесного тела сомкнется
в одной точке. Феномен, при котором
плотность материи становится
бесконечно большой, математики
называют сингулярностью (от
латинского «сингл», что
означает «точка»). Радиус такой
компактной звезды будет меньше
трех метров, то есть меньше, чем
было определено Шварцшильдом.
«Горизонт
событий»
Когда звезда
«спадается», то в окружающем ее
пространстве растут силы
гравитации. Значит, пространство
все сильнее и сильнее искривляется.
Звезда замыкает вокруг себя
пространство, когда ее радиус
становится меньше, чем «радиус
Шварцшильда». Небесное тело как
бы обосабливается от всей
Вселенной: ни вещество, ни свет не
могут покинуть звезду. Она словно
помещена в какую-то капсулу. Звезда
становится невидимой — совсем так,
как еще два столетия назад
предполагал Джон Мишелл!
Наблюдатель извне
никаких сигналов от звезды
получить не может. Про нее можно
сказать: скрылась за «горизонтом
событий». А как высоко стоит этот
горизонт, определяется «радиусом
Шварцшильда».
До последнего
времени природа черных дыр
казалась совершенно непонятной,
загадочной. Даже Эйнштейн, теория
относительности которого стала
первым камнем в фундаменте
современного представления о
космосе, не верил в существование
такого фантастического явления,
как черные дыры. В одной из своих
работ, опубликованной в 1939 году, он
писал, что можно доказать: такого не
может быть.
Дальнейшее развитие
науки показало, что здесь он
ошибался, хотя был настолько уверен
в своей правоте, что до конца жизни
к этой проблеме не возвращался. Так
же и Оппенгеймер, разуверившись в
существовании черных дыр, не стал
продолжать исследования
таинственного явления.
Впрочем, ведь
тогда это были чисто теоретические
вопросы. Галактика М106 еще не
открыла свой секрет.
Лишь в
шестидесятые годы астрофизики
всерьез занялись поисками
экзотических объектов Вселенной.
Черные дыры стали искать среди
тяжелых мощных источников света. А
такие во Вселенной есть. Например,
есть область, которая по размерам
равна примерно нашей Солнечной
системе, а излучает энергии в
тысячи раз больше, чем все звезды
нашей Галактики — Млечного Пути.
В 1963 году
американский астроном М. Шмидт
высказал предположение, что
недавно обнаруженный точечный
источник радиоволн может быть
черной дырой, еще не полностью
закрытой «капсулой»
искривленного пространства.
Через
год советский физик академик Яков
Зельдович и его американский
коллега физик Эдвин Солпитер
сообщили о разработанной ими
модели. Модель показала: черная
дыра притягивает газ из
окружающего пространства, и
вначале он собирается в диск возле
нее. От столкновений частиц газ
разогревается, теряет энергию,
скорость и начинает по спирали
приближаться к черной дыре. Газ,
нагретый до нескольких миллионов
градусов, образует вихрь, имеющий
форму воронки. Его частицы мчатся
со скоростью 100 тысяч километров в
секунду. В конце концов вихрь газа
доходит до «горизонта событий»
и навечно исчезает в черной дыре.
Мазер в галактике
М106, о котором шла речь в самом
начале, находится в газовом диске.
Черные дыры, возникающие во
Вселенной, судя по тому, что
наблюдали американские и японские
астрономы в спиральной туманности
М106, обладают несравненно большей
массой, нежели те, о которых говорит
теория Оппенгеймера.
Он рассмотрел
случай коллапса одной звезды, масса
которой не более трех солнечных. А
как образуются такие гиганты,
которые астрономы уже наблюдают,
объяснений пока нет.
Последние
компьютерные модели показали, что
газовое облако, находящееся в
центре нарождающейся галактики,
может породить огромную черную
дыру. Но возможен и другой путь
развития: скопление газа вначале
распадется на множество более
мелких облаков, которые дадут жизнь
большому числу звезд. Однако и в
том, и в другом случае часть
космического газа под действием
собственной гравитации в конце
концов закончит свою эволюцию в
виде черной дыры.
По этой гипотезе
черная дыра есть почти в каждой
галактике, в том числе и в нашей,
где-то в центре Млечного Пути.
Астрономические
наблюдения, проведенные за
последние десять лет, позволяют с
большой степенью достоверности
говорить о том, что черная дыра в
Млечном Пути действительно есть, и
в ней сосредоточено вещество,
равное трем миллионам солнечных
масс.
В работах Оппенгеймера и
Шнайдера говорилось о
теоретической возможности
существования таких гигантов.
Наблюдения так
называемых систем двойных звезд,
когда в телескоп видна лишь одна
звезда, дают основание считать, что
невидимый партнер — черная дыра.
Звезды этой пары расположены так
близко одна к другой, что невидимая
масса «высасывает» вещество
видимой звезды и поглощает его. В
некоторых случаях удается
определить время оборота звезды
вокруг ее невидимого партнера и
расстояние до невидимки, что
позволяет рассчитать скрытую от
наблюдения массу.
Первый кандидат
на такую модель — пара, обнаруженная
в начале семидесятых годов. Она
находится в созвездии Лебедя
(обозначена индексом Cygnus XI) и
испускает рентгеновские лучи.
Здесь вращаются горячая голубая
звезда и, по всей вероятности,
черная дыра с массой, равной 16
массам Солнца. Другая пара (V404)
имеет невидимую массу в 12
солнечных.
Еще одна подозреваемая
пара — рентгеновский источник (LMCХ3)
в девять солнечных масс находится в
Большом Магеллановом Облаке.
Все эти случаи
хорошо объясняются в рассуждениях
Джона Мишелла о «темных
звездах». В 1783 году он писал:
«Если светящиеся тела вращаются
вокруг невидимого чего-то, то мы
должны быть в состоянии из движения
этого вращающегося тела с
известной вероятностью сделать
вывод о существовании этого
центрального тела».
Год 1997. Новые
открытия
Совсем недавно
удалось доказать, что некоторые
черные дыры вращаются, вовлекая в
это движение и окружающее их
пространство. «До сих пор мы
умели узнавать лишь массу черной
звезды, теперь можем определять ее
вращательный импульс», — с
гордостью говорит сотрудник Центра
НАСА в Хантсвилле Шуанг Нан Цанг.
Черную дыру
окружает некая граница, и вся
материя, находящаяся внутри нее,
непременно будет поглощена дырой.
Размеры границы зависят, в
частности, от скорости вращения
черной дыры. Эту скорость можно
посчитать, если знать, с какой
скоростью движется материя у
границы.
Расшифровывая
информацию, поступающую от
спутников, улавливающих
рентгеновское излучение, Шуанг Нан
Цанг и его коллеги пришли к выводу,
что в Млечном Пути находятся 12
черных дыр с массой от трех до
тридцати солнечных. Некоторые из
этих дыр вращаются очень медленно,
другие — вовсе неподвижны. Но две
вращаются вокруг своих осей с
невероятной скоростью.
«Исследуя
вращение черной дыры, — пишет
астрофизик из Балтимора Марио
Ливио, — можно узнать, сколько
материи она успела поглотить за
свою жизнь и как вращательный
импульс связан с выбросом материи в
виде осевой струи». Цанг убежден,
что эти две быстро вращающиеся
дыры, обнаруженные в нашей
Галактике, посылают в свои
окрестности струи
высокоэнергичных частиц.
Струи
вращаются примерно с той же скоростью, что и
сама черная дыра.
Точные измерения
позволяют определить скорость
вращения вихря материи прежде, чем
она исчезнет в черной дыре.
Кроме того, ученые
обнаружили колебания
интенсивности рентгеновского
излучения у обоих объектов. Эти
наблюдения навели в конце 1997 года
на след еще более удивительного
феномена: газовые и пылевые частицы
около двух черных дыр, о которых
идет речь, подвержены
периодическому движению,
называемому прецессией. Это значит,
что ось вихревого движения частиц
не стоит на
месте, а в свою очередь вращается
вокруг другой оси.
Такое движение
нам хорошо знакомо: полярная ось
Земли тоже вращается и описывает
своим (воображаемым) концом на небе
круг за 25800 лет. У черных дыр
прецессия происходит много
интенсивнее: ось газо-пылевого
диска (GRS 1915+105) оборачивается 67 раз в
секунду, ось диска, окружающего
вторую дыру (GROJ 1655-40), делает 300
оборотов в секунду.
Это говорит о
том, что пространство около черных
дыр само вовлечено во вращение,
примерно так, как вода в ванне закручивается
перед выпускным отверстием.
Возможность
существования подобного феномена
предвидели еще в 1918 году
австрийские физики Иосиф Лензен и
Ганс Тюрринг. Они пришли к такому
выводу на основе Общей теории
относительности А. Эйнштейна. И вот
только теперь, в конце прошлого
года, впервые доказано, что такой
эффект действительно существует.
Нынешний успех
астрономии доказывает, что черные
дыры — не просто экзотические
объекты Вселенной, окрыляющие нашу
фантазию, они заставляют
задуматься над тем, что многие
причудливые особенности природы
еще не познаны. Два итальянских
астронома, Луиджи Стелла и Марио
Виертри, на основе данных,
полученных со спутника RXTE, открыли
искривление пространства около
нейтронной звезды, правда, очень
слабое.
Уже создается спутник,
названный «Gravity Probe В»,
специально приспособленный для
исследования эффектов теории
относительности. Его старт
планируется на 2000 год.
Гипотезы и
парадоксы
Общая теория
относительности, как известно,
предсказала, что масса искривляет
пространство. И уже через четыре
года после опубликования работы
Эйнштейна этот эффект был
обнаружен астрономами. При полном
солнечном затмении, проводя
наблюдения с телескопом, астрономы
видели звезды, которые на самом
деле были заслонены краем черного
лунного диска, покрывшего Солнце.
Под действием солнечной гравитации
изображения звезд сместились.
(Здесь поражает еще и точность
измерения, потому что сместились
они меньше, чем на одну тысячную
градуса!)
Астрономы теперь
точно знают, что под влиянием
«линзы тяготения», которую
представляют собой тяжелые звезды
и, прежде всего, черные дыры,
реальные позиции многих небесных
тел на самом деле отличаются от тех,
что нам видятся с Земли.
Далекие
галактики могут выглядеть для нас
бесформенными и более яркими, чем
они есть на самом деле из-за того,
что на пути к Земле их свет
взаимодействует со множеством
«линз тяготения». Иногда луч,
проходя мимо тяжелого объекта,
расщепляется, и тогда наблюдатель с
Земли видит множество изображений
одного и того же объекта, или же они сливаются в
кольцо.
Моделирование на
компьютере показало, например, что
свечение газового диска,
вращающегося вокруг черной дыры,
видно и сзади ее «капсулы». Это
означает: тяготение столь велико и
пространство так закручено, что
свет проходит по кругу. Поистине
там можно увидеть то, что
происходит за углом.
Вообразим
совершенно невероятное: некий
отважный космонавт решил направить
свой корабль к черной дыре, чтобы
познать ее тайны. Что он увидит в
этом фантастическом путешествии?
По мере
приближения к цели часы на
космическом корабле будут все
больше и больше отставать — это
вытекает из теории
относительности.
На подлете к цели
наш путешественник окажется как бы
в трубе, кольцом окружающей черную
дыру, но ему будет казаться, что он
летит по совершенно прямому
тоннелю, а вовсе не по кругу. Но
космонавта ждет еще более
удивительное явление: попав за
«горизонт событий» и двигаясь
по трубе, он будет видеть свою
спину, свой затылок…
Общая теория
относительности говорит, что
понятия «вовне» и «внутри»
не имеют объективного смысла, они
относительны так же, как указания
«налево» или «направо»,
«верх» или «низ». Вся эта
парадоксальная путаница с
направлениями очень плохо
согласуется с нашими повседневными
оценками.
Как только
корабль пересечет границу черной
дыры, люди на Земле уже не смогут
ничего увидеть из того, что там
будет происходить. А на корабле
остановятся часы, все краски будут
смещены в сторону красного цвета:
свет потеряет часть энергии в
борьбе с гравитацией.
Все предметы
приобретут странные искаженные очертания.
И, наконец, даже если эта черная
дыра будет всего вдвое тяжелее, чем
наше Солнце, притяжение станет
столь сильным, что и корабль, и его
гипотетический капитан будут
вытянуты в шнурок и вскорости
разорваны. Материя, попавшая внутрь
черной дыры, не сможет
противостоять силам, влекущим ее к
центру. Вероятно, материя
распадется и перейдет в
сингулярное состояние.
Согласно
некоторым представлениям, эта
распавшаяся материя станет частью
какой-то иной Вселенной — черные
дыры связывают наш космос с другими
мирами.
ученых обнаружили ближайшую к Земле черную дыру
Встроить
Поделиться
Ученые обнаружили ближайшую к Земле черную дыру
от VOA
В настоящее время нет доступных медиа-источников
0:00
0:06:13
0:00
Ученые говорят, что обнаружили ближайшую к Земле черную дыру.
Черные дыры — это области в космосе, где гравитация настолько сильна, что ничто — даже свет — не может их покинуть. Считается, что они образовались из коллапсирующих звезд.
Международная группа астрономов недавно объявила об открытии черной дыры, которая находится на расстоянии около 1600 световых лет от Земли. Световой год – это расстояние, которое свет проходит за один год. В космосе свет перемещается примерно на 9,4 триллиона километров каждый год.
Исследователи назвали черную дыру Gaia Bh2. Говорят, он находится в созвездии Змееносца. Созвездие – это группа звезд. Считается, что черная дыра весит примерно в 10 раз больше массы нашего Солнца. Команда заявила, что он в три раза ближе к Земле, чем предыдущий рекордсмен.
Недавно открытая гравитационная масса была идентифицирована путем наблюдения за движением звезды на ее орбите. Звезда вращается вокруг черной дыры примерно на том же расстоянии, что и Земля вокруг Солнца.
Карим Эль-Бадри — астрофизик из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики и Немецкого астрономического института имени Макса Планка.
Он был ведущим автором исследования, описывающего открытие в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества .
Черная дыра была впервые идентифицирована с помощью космического корабля Gaia Европейского космического агентства (ЕКА). Gaia уже обнаружила более 800 000 мультизвездных систем. Затем Эль-Бадри и его команда попытались подтвердить открытие с помощью многочисленных дополнительных наблюдений в течение четырех месяцев. В этой работе участвовали шесть различных высокочувствительных телескопов по всему миру.
Одним из них был 6,5-метровый телескоп Magellan Baade, базирующийся в обсерватории Лас-Кампанас в Чили. Команда также использовала инструмент на телескопе Gemini North, который базируется на Гавайях.
Такие телескопы нужны исследователям для эффективного наблюдения за орбитальным движением звезды черной дыры. Телескоп в Чили и прибор Gemini смогли предоставить астрономам изображения с высоким разрешением. Телескопы также собирали конфиденциальные данные в ультрафиолетовом и ближнем инфракрасном диапазонах.
Эль-Бадри сказал в заявлении, что наблюдения Близнецов «подтвердили вне разумных сомнений », что команда обнаружила нормальную звезду и по крайней мере одну черную дыру. Эль-Бадри добавил, что черная дыра, по-видимому, бездействует, то есть в настоящее время не активна.
Активные черные дыры испускают свет высокой энергии. В состоянии покоя они ничего не выделяют и их трудно идентифицировать.
Как образовалась черная дыра в нашей галактике?
Ученые говорят, что остается неясным, как образовалась черная дыра в нашей галактике Млечный Путь. Изучение данных, собранных на Gaia Bh2, показывает, что «его существование трудно объяснить» с помощью традиционных эволюционных методов моделирования, сказал Тинеке Рогьерс. Она является специалистом по проектной информации в команде космического корабля Gaia.
Исследователи заявили, что если бы черная дыра образовалась традиционным способом – в результате гравитационного коллапса звезды – эта звезда была бы по меньшей мере в 20 раз тяжелее нашего Солнца.
Это означает, что звезда прожила бы недолго, может быть, всего несколько миллионов лет.
Если бы обе звезды образовались одновременно, говорят ученые, массивная звезда быстро превратилась бы в « сверхгигант » и поглотил другую звезду, прежде чем она успела полностью развиться.
Эти различия, сказал Рогирс, «могут указывать на отсутствие чего-то важного в наших нынешних знаниях о формировании черных дыр».
Эль-Бадри сказал, что загадка ближайшей к Земле черной дыры вызывает много вопросов о том, как она образовалась, «а также о том, сколько этих спящих черных дыр существует снаружи».
Он добавил: «Последние четыре года я искал систему, подобную Gaia Bh2, пробовал всевозможные методы, но ни один из них не сработал. это было воодушевление увидеть наконец этот поиск принести плоды .”
Я Брайан Линн.
Брайан Линн написал эту статью для VOA Learning English на основе отчетов Центра астрофизики, Ассошиэйтед Пресс, Европейского космического агентства и Астрономического института Макса Планка.
Викторина — Ученые обнаружили ближайшую к Земле черную дыру
Начать викторину, чтобы узнать
Начать викторину
________________________________________________________________
Слова в этой истории
сомнение – н. чувство неуверенности в чем-либо
эволюция – сущ. способ изменения и развития живых существ на протяжении миллионов лет
сверхгигант – сущ. чрезвычайно большая звезда, которая от 10 000 до 100 000 раз ярче Солнца
обозначают – v . предложить что-то
приподнятый – прил. чрезвычайно счастлив и взволнован
приносить плоды – идиома. если что-то приносит плоды, то приносит успешные результаты
________________________________________________________________
Что вы думаете об этой истории? Ждем вашего ответа.
У нас новая система комментариев. Вот как это работает:
- Напишите свой комментарий в поле.
- Под коробкой вы можете увидеть четыре изображения для учетных записей социальных сетей. Они предназначены для Disqus, Facebook, Twitter и Google.
- Нажмите на одно изображение, и появится окно. Введите логин от своего аккаунта в социальной сети. Или вы можете создать его в системе Disqus. Это синий круг с буквой «D». Это свободно.
Каждый раз, когда вы возвращаетесь, чтобы оставить комментарий на сайте Learning English, вы можете использовать свою учетную запись и просматривать свои комментарии и ответы на них. Наша политика комментариев: здесь .
Ученые создали черную дыру в лаборатории, а затем она начала светиться : ScienceAlert
Моделирование искривленной и вращающейся черной дыры. (Yukterez/Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0)
Новый вид аналога черной дыры может рассказать нам кое-что о неуловимом излучении, теоретически испускаемом реальной вещью.
Используя цепочку атомов в один ряд для имитации горизонта событий черной дыры, группа физиков наблюдала эквивалент того, что мы называем излучением Хокинга — частицы, рожденные в результате возмущений квантовых флуктуаций, вызванных разрывом черной дыры. в пространстве-времени.
Это, по их словам, могло бы помочь устранить противоречие между двумя в настоящее время непримиримыми концепциями описания Вселенной: общей теорией относительности, которая описывает поведение гравитации как непрерывного поля, известного как пространство-время; и квантовая механика, описывающая поведение дискретных частиц с помощью математики вероятности.
Для единой теории квантовой гравитации, которую можно было бы применять повсеместно, эти две несмешивающиеся теории должны найти способ как-то ужиться.
Здесь на сцену выходят черные дыры — возможно, самые странные и экстремальные объекты во Вселенной. Эти массивные объекты настолько невероятно плотны, что на определенном расстоянии от центра масс черной дыры никакая скорость во Вселенной не достаточна для побега.
Даже не скорость света.
Это расстояние, меняющееся в зависимости от массы черной дыры, называется горизонтом событий. Как только объект пересекает свою границу, мы можем только догадываться, что происходит, поскольку ничего не возвращается с жизненно важной информацией о его судьбе. Но в 1974, Стивен Хокинг предположил, что прерывания квантовых флуктуаций, вызванные горизонтом событий, приводят к типу излучения, очень похожего на тепловое излучение.
Если это излучение Хокинга существует, оно слишком слабое, чтобы мы могли его обнаружить. Возможно, мы никогда не отсеем его от шипящей статики Вселенной. Но мы можем исследовать его свойства, создавая аналоги черной дыры в лабораторных условиях.
Это уже делалось раньше, но теперь команда под руководством Лотте Мертенс из Амстердамского университета в Нидерландах сделала нечто новое.
Одномерная цепочка атомов служила траекторией для «прыжков» электронов из одного положения в другое. Настраивая легкость, с которой может происходить этот прыжок, физики могли заставить исчезнуть определенные свойства, фактически создав своего рода горизонт событий, который мешал волнообразной природе электронов.
Эффект этого поддельного горизонта событий привел к повышению температуры, которое соответствовало теоретическим ожиданиям эквивалентной системы черных дыр, сказала команда, но только тогда, когда часть цепи вышла за горизонт событий.
Это может означать, что запутывание частиц, расположенных по обе стороны горизонта событий, играет важную роль в генерации излучения Хокинга.
Смоделированное излучение Хокинга было только тепловым для определенного диапазона амплитуд прыжков и при симуляциях, которые начинались с имитации вида пространства-времени, считавшегося «плоским». Это говорит о том, что излучение Хокинга может быть тепловым только в ряде ситуаций и когда происходит изменение искривления пространства-времени из-за гравитации.
Неясно, что это означает для квантовой гравитации, но модель предлагает способ изучения появления излучения Хокинга в среде, на которую не влияет дикая динамика формирования черной дыры. По словам исследователей, поскольку это так просто, его можно использовать в самых разных экспериментальных установках.