Черные дыры во вселенной: Черные дыры во Вселенной | Наука и жизнь

Черные дыры во Вселенной | Наука и жизнь

Среди наиболее важных и интересных проблем современной физики и астрофизики академик В. Л. Гинзбург назвал вопросы, связанные с черными дырами (см. «Наука и жизнь» №№ 11, 12, 1999 г.). Существование этих странных объектов было предсказано более двухсот лет назад, условия, приводящие к их образованию, точно рассчитали в конце 30-х годов XX века, а вплотную астрофизика занялась ими менее сорока лет назад. Сегодня научные журналы мира ежегодно публикуют тысячи статей, посвященных черным дырам.

Образование черной дыры может происходить тремя путями.

Так принято изображать процессы, идущие в окрестностях коллапсирующей черной дыры. С течением времени (Y) пространство (X) вокруг нее (закрашенная область) сжимается, устремляясь к сингулярности.

Гравитационное поле черной дыры вносит сильнейшие искажения в геометрию пространства.

Черная дыра, невидимая в телескоп, обнаруживает себя только по своему гравитационному воздействию.

В мощном поле тяготения черной дыры происходит рождение пар частица-античастица.

Рождение пары частица-античастица в лаборатории.

‹

›

Открыть в полном размере

КАК ОНИ ВОЗНИКАЮТ

Светящееся небесное тело, обладающее плотностью, равной плотности Земли, и диаметром, в двести пятьдесят раз превосходящим диаметр Солнца, из-за силы своего притяжения не даст своему свету достигнуть нас. Таким образом, возможно, что самые большие светящиеся тела во Вселенной именно по причине своей величины остаются невидимыми.

Пьер Симон Лаплас.

Изложение системы мира. 1796 год.

В 1783 году английский математик Джон Митчел, а спустя тринадцать лет независимо от него французский астроном и математик Пьер Симон Лаплас провели очень странное исследование. Они рассмотрели условия, при которых свет не сможет покинуть звезду.

Логика ученых была проста. Для любого астрономического объекта (планеты или звезды) можно вычислить так называемую скорость убегания, или вторую космическую скорость, позволяющую любому телу или частице навсегда его покинуть. А в физике того времени безраздельно господствовала ньютоновская теория, согласно которой свет — это поток частиц (до теории электромагнитных волн и квантов оставалось еще почти полтораста лет). Скорость убегания частиц можно рассчитать исходя из равенства потенциальной энергии на поверхности планеты и кинетической энергии тела, «убежавшего» на бескончно большое расстояние. Эта скорость определяется формулой #1#

где M — масса космического объекта, R — его радиус, G — гравитационная постоянная.

Отсюда легко получается радиус тела заданной массы (позднее получивший название «гравитационный радиус r_g^«), при котором скорость убегания равна скорости света:

r_g=2GM/c²

Это значит, что звезда, сжатая в сферу радиусом r_g < 2GM/c², перестанет излучать — свет покинуть ее не сможет. Во Вселенной возникнет черная дыра.

Несложно рассчитать, что Солнце (его масса 2^. 10³³ г) превратится в черную дыру, если сожмется до радиуса примерно 3 километра. Плотность его вещества при этом достигнет 10¹⁶ г/см³. Радиус Земли, сжатой до состояния черной дыры, уменьшился бы примерно до одного сантиметра.

Казалось невероятным, что в природе могут найтись силы, способные сжать звезду до столь ничтожных размеров. Поэтому выводы из работ Митчела и Лапласа более ста лет считались чем-то вроде математического парадокса, не имеющего физического смысла.

Строгое математическое доказательство того, что подобный экзотический объект в космосе возможен, было получено только в 1916 году. Немецкий астроном Карл Шварц-шильд, проведя анализ уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна, получил интересный результат. Исследовав движение частицы в гравитационном поле массивного тела, он пришел к выводу: уравнение теряет физический смысл ( его решение обращается в бесконечность) при r = 0 и r = r_g.

Точки, в которых характеристики поля теряют смысл, называются сингулярными, то есть особыми. Сингулярность в нулевой точке отражает точечную, или, что то же самое, центрально-симметричную структуру поля (ведь любое сферическое тело — звезду или планету — можно представить как материальную точку). А точки, расположенные на сферической поверхности радиусом r_g,_{образуют ту самую поверхность, с которой скорость убегания равна скорости света. В общей теории относительности она именуется сингулярной сферой Шварц-шильда или горизонтом событий (почему — станет ясно в дальнейшем).}

Уже на примере знакомых нам объектов — Земли и Солнца — ясно, что черные дыры представляют собой весьма странные объекты. Даже астрономы, имеющие дело с веществом при экстремальных значениях температуры, плотности и давления, считают их весьма экзотическими, и до последнего времени далеко не все верили в их существование. Однако первые указания на возможность образования черных дыр содержались уже в общей теории относительнос-ти А. Эйнштейна, созданной в 1915 году. Английский астроном Артур Эддингтон, один из первых интерпретаторов и популяризаторов теории относительности, в 30-х годах вывел систему уравнений, описывающих внутреннее строение звезд. Из них следует, что звезда находится в равновесии под действием противополож но направленных сил тяготения и внутреннего давления, создаваемого движением частиц горячей плазмы внутри светила и напором излучения, образующегося в его недрах. А это означает, что звезда представляет собой газовый шар, в центре которого высокая температура, постепенно понижающаяся к периферии. Из уравнений, в частности, следовало, что температура поверхности Солнца составляет около 5500 градусов (что вполне соответствовало данным астрономических измерений), а в его центре должна быть порядка 10 миллионов градусов. Это позволило Эддингтону сделать пророческий вывод: при такой температуре «зажигается» термоядерная реакция, достаточная для обеспечения свечения Солнца. Физики-атомщики того времени с этим не соглашались. Им казалось, что в недрах звезды слишком «холодно»: температура там недостаточна, чтобы реакция «пошла». На это взбешенный теоретик отвечал: «Поищите местечко погорячее!».

И в конечном итоге он оказался прав: в центре звезды действительно идет термоядер ная реакция (другое дело, что так называемая «стандартная солнечная модель», основанная на представлениях о термоядерном синтезе, по-видимому, оказалась неверной — см., например, «Наука и жизнь» №№ 2, 3, 2000 г.). Но тем не менее реакция в центре звезды проходит, звезда светит, а излучение, которое при этом возникает, удерживает ее в стабильном состоянии. Но вот ядерное «горючее» в звезде выгорает. Выделение энергии прекращается, излучение гаснет, и сила, сдерживающая гравитационное притяжение, исчезает. Существует ограничение на массу звезды, после которого звезда начинает необратимо сжиматься. Расчеты показывают, что это происходит, если масса звезды превышает две-три массы Солнца.

ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС

Вначале скорость сжатия звезды невелика, но его темп непрерывно возрастает, поскольку сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния. Сжатие становится необратимым, сил, способных противодействовать самогравитации, нет. Такой процесс называется гравитационным коллапсом. Скорость движения оболочки звезды к ее центру увеличивается, приближаясь к скорости света. И здесь начинают играть роль эффекты теории относительности.

Скорость убегания была рассчитана исходя из ньютоновсих представлений о природе света. С точки зрения общей теории относительности явления в окрестностях коллапсирующей звезды происходят несколько по-другому. В ее мощном поле тяготения возникает так называемое гравитационное красное смещение. Это означает, что частота излучения, исходящего от массивного объекта, смещается в сторону низких частот. В пределе, на границе сферы Шварцшильда, частота излучения становится равной нулю. То есть наблюдатель, находящийся за ее пределами, ничего не сможет узнать о том, что происходит внутри. Именно поэтому сферу Шварцшильда и называют горизонтом событий.

Но уменьшение частоты равнозначно замедлению времени, и, когда частота становится равна нулю, время останавливается. Это означает, что посторонний наблюдатель увидит очень странную картину: оболочка звезды, падающая с нарастающим ускорением, вместо того, чтобы достигнуть скорости света, останавливается. С его точки зрения, сжатие прекратится, как только размеры звезды приблизятся к гравитационному ради


усу. Он никогда не увидит, чтобы хоть одна частица «нырнула» под сферу Шварцшиль да. Но для гипотетического наблюдателя, падающего на черную дыру, все закончится в считанные мгновения по его часам. Так, время гравитационного коллапса звезды размером с Солнце составит 29 минут, а гораздо более плотной и компактной нейтронной звезды — только 1/20 000 секунды. И здесь его подстерегает неприятность, связанная с геометрией пространства-времени вблизи черной дыры.

Наблюдатель попадает в искривленное пространство. Вблизи гравитационного радиуса силы тяготения становятся бесконечно большими; они растягивают ракету с космонавтом-наблюдателем в бесконечно тонкую нить бесконечной длины. Но сам он этого не заметит: все его деформации будут соответствовать искажениям пространственно-временн ых координат. Эти рассуждения, конечно, относятся к идеальному, гипотетическому случаю. Любое реальное тело будет разорвано приливными силами задолго до подхода к сфере Шварцшильда .

РАЗМЕРЫ ЧЕРНЫХ ДЫР

Размер черной дыры, а точнее — радиус сферы Шварцшильда пропорционален массе звезды. А поскольку астрофизика никаких ограничений на размер звезды не накладывает, то и черная дыра может быть сколь угодно велика. Если она, например, возникла при коллапсе звезды массой 10⁸ масс Солнца (или за счет слияния сотен тысяч, а то и миллионов сравнительно небольших звезд), ее радиус будет около 300 миллионов километров, вдвое больше земной орбиты. А средняя плотность вещества такого гиганта близка к плотности воды.

По-видимому, именно такие черные дыры находятся в центрах галактик. Во всяком случае, астрономы сегодня насчитывают около пятидесяти галактик, в центре которых, судя по косвенным признакам (речь о них пойдет ниже), имеются черные дыры массой порядка миллиарда (10⁹) солнечной. В нашей Галактике тоже, видимо, есть своя черная дыра; ее массу удалось оценить довольно точно — 2,4^.10⁶±10% массы Солнца.

Теория предполагает, что наряду с такими сверхгигантами должны были возникать и черные мини-дыры массой порядка 10¹⁴ г и радиусом порядка 10^-12 см (размер атомного ядра). Они могли появляться в первые мгновения существования Вселенной как проявление очень сильной неоднородности пространства-времени при колоссальной плотности энергии. Условия, которые были тогда во Вселенной, исследователи сегодня реализуют на мощных коллайдерах (ускорителях на встречных пучках). Эксперименты в ЦЕРНе, проведенные в начале этого года, позволили получить кварк-глюонную плазму — материю, существовавшую до возникновения элементарных частиц. Исследования этого состояния вещества продолжаются в Брукхевене — американском ускорительном центре. Он способен разогнать частицы до энергий, на полтора-два порядка более высоких, чем ускоритель в


ЦЕРНе. Готовящийся эксперимент вызвал нешуточную тревогу: не возникнет ли при его проведении черная мини-дыра, которая искривит наше пространство и погубит Землю?

Это опасение вызвало столь сильный резонанс, что правительство США было вынуждено созвать авторитетную комиссию для проверки такой возможности. Комиссия, состоявшая из видных исследователей, дала заключение: энергия ускорителя слишком мала, чтобы черная дыра могла возникнуть (об этом эксперименте рассказано в журнале «Наука и жизнь» № 3, 2000 г.).

КАК УВИДЕТЬ НЕВИДИМОЕ

Черные дыры ничего не излучают, даже свет. Однако астрономы научились видеть их, вернее — находить «кандидатов» на эту роль. Есть три способа обнаружить черную дыру.

1. Нужно проследить за обращением звезд в скоплениях вокруг некоего центра гравитации. Если окажется, что в этом центре ничего нет, и звезды крутятся как бы вокруг пустого места, можно достаточно уверенно сказать: в этой «пустоте» находится черная дыра. Именно по этому признаку предположили наличие черной дыры в центре нашей Галактики и оценили ее массу.

2. Черная дыра активно всасывает в себя материю из окружающего пространства. Межзвездная пыль, газ, вещество ближайших звезд падают на нее по спирали, образуя так называемый аккреционный диск, подобный кольцу Сатурна. (Именно это и пугало в брукхевенском эксперименте: черная мини-дыра, возникшая в ускорителе, начнет всасывать в себя Землю, причем процесс этот никакими силами остановить было бы нельзя.) Приближаясь к сфере Шварцшильда, частицы испытывают ускорение и начинают излучать в рентгеновском диапазоне. Это излучение имеет характерный спектр, подобный хорошо изученному излучению частиц, ускоренных в синхротроне. И если из какой-то области Вселенной приходит такое излучение, можно с уверенностью сказать — там должна быть черная дыра.

3. При слиянии двух черных дыр возникает гравитационное излучение. Подсчитано, что если масса каждой составляет около десяти масс Солнца, то при их слиянии за считанные часы в виде гравитационных волн выделится энергия, эквивалентная 1% их суммарной массы. Это в тысячу раз больше той световой, тепловой и прочей энергии, которую излучило Солнце за все время своего существования — пять миллиардов лет. Обнаружить гравитаци онное излучение надеются с помощью гравитационно-волновых обсерваторий LIGO и других, которые строятся сейчас в Америке и Европе при участии российских исследователей (см. «Наука и жизнь» № 5, 2000 г.).

И все-таки, хотя у астрономов нет никаких сомнений в существовании черных дыр, категорически утверждать, что в данной точке пространства находится именно одна из них, никто не берется. Научная этика, добросовестность исследователя требуют получить на поставленный вопрос ответ однозначный, не терпящий разночтений. Мало оценить массу невидимого объекта, нужно измерить его радиус и показать, что он не превышает шварцшильдовский. А даже в пределах нашей Галактики эта задача пока не разрешима. Именно поэтому ученые проявляют известную сдержанность в сообщениях об их обнаружении, а научные журналы буквально набиты сообщениями о тео-ретических работах и наблюдениях эффектов, способных пролить свет на их загадку.

Есть, правда, у черных дыр и еще одно свойство, предсказанное теоретически, которое, возможно, позволило бы увидеть их. Но, правда, при одном условии: масса черной дыры должна быть гораздо меньше массы Солнца.

ЧЕРНАЯ ДЫРА МОЖЕТ БЫТЬ И «БЕЛОЙ»

Долгое время черные дыры считались воплощением тьмы, объектами, которые в вакууме, в отсутствии поглощения материи, ничего не излучают. Однако в 1974 году известный английский теоретик Стивен Хокинг показал, что черным дырам можно приписать температуру, и, следовательно, они должны излучать.

Согласно представлениям квантовой механики, вакуум — не пустота, а некая «пена пространства-времени», мешанина из виртуалных (ненаблюдаемых в нашем мире) частиц. Однако квантовые флуктуации энергии способны «выбросить» из вакуума пару частица-античастица. Например, при столкновении двух-трех гамма-квантов как бы из ничего возникнут электрон и позитрон. Это и аналогичные явления неоднократно наблюдались в лабораториях.

Именно квантовые флуктуации определяют процессы излучения черных дыр. Если пара частиц, обладающих энергиями E и -E (полная энергия пары равна нулю), возникает в окрестности сферы Шварцшильда, дальнейшая судьба частиц будет различной. Они могут аннигилировать почти сразу же или вместе уйти под горизонт событий. При этом состояние черной дыры не изменится. Но если под горизонт уйдет только одна частица, наблюдатель зарегистрирует другую, и ему будет казаться, что ее породила черная дыра. При этом черная дыра, поглотившая частицу с энергией -E, уменьшит свою энергию, а с энергией E — увеличит.

Хокинг подсчитал скорости, с которыми идут все эти процессы, и пршел к выводу: вероятность поглощения частиц с отрицательной энергией выше. Это значит, что черная дыра теряет энергию и массу — испаряется. Кроме того она излучает как абсолютно черное тело с температурой T = 6^.10^-8M_с/M кельвинов, где M_с — масса Солнца (2^.10³³ г), M — масса черной дыры. Эта несложная зависимость показывает, что температура черной дыры с массой, в шесть раз превышающей солнечную, равна одной стомиллионной доле градуса. Ясно, что столь холодное тело практически ничего не излучает, и все приведенные выше рассуждения остаются в силе. Иное дело — мини-дыры. Легко увидеть, что при массе 10¹⁴-10³⁰ граммов они оказываются нагретыми до десятков тысяч градусов и раскалены добела! Следует, однако, сразу отметить, что противоречий со свойствами черных дыр здесь нет: это излучение испускается слоем над сферой Шварцшильда, а не под ней.

Итак, черная дыра, которая казалась навеки застывшим объектом, рано или поздно исчезает, испарившись. Причем по мере того, как она «худеет», темп испарения нарастает, но все равно идет чрезвычайно долго. Подсчитано, что мини-дыры массой 10¹⁴ граммов, возникшие сразу после Большого взрыва 10-15 миллиардов лет назад, к нашему времени должны испариться полностью. На последнем этапе жизни их температура достигает колоссальной величины, поэтому продуктами испарения должны быть частицы чрезвычайно высокой энергии. Возможно, именно они порождают в атмосфере Земли широкие амосферные ливни — ШАЛы. Во всяком случае, происхождение частиц аномально высокой энергии — еще одна важная и интересная проблема, которая может быть вплотную связана с не менее захватывающими вопросами физики черных дыр.

Черные дыры — самые страшные объекты во Вселенной / Хабр

Хэллоуин — время призраков, гоблинов и упырей, но нет ничего страшнее во Вселенной, чем черные дыры.

Черные дыры — области в космосе, где гравитация настолько сильна, что ничто не сможет вырваться. Половина Нобелевской премии по физике 2020 года была присуждена Роджеру Пенроузу за математическую работу, показывающую, что черные дыры являются неизбежным следствием теории гравитации Эйнштейна. Вторую половину разделили Андреа Гэз и Райнхард Генцель, показав, что массивная черная дыра находится в центре нашей галактики.

Черные дыры пугают по трем причинам:

1. Если вы упадете в черную дыру, оставшуюся после гибели звезды, вас разорвет на куски.

2. У массивных черных дыр в центре галактик ненасытный аппетит. 

3. Черные дыры — это места, где нарушаются законы физики.

Я изучаю черные дыры более 30 лет. В частности, сверхмассивные, которые скрываются в центре галактик. Большую часть времени они неактивны, но когда активны и пожирают звезды и газ, область около черной дыры может затмить всю галактику, в которой она находится. Галактики, в которых активны черные дыры, называются квазарами. Несмотря на все данные об этих объектах, полученные за последние десятилетия, мы еще многого не знаем.

Смерть от черной дыры

Считается, что черные дыры образуются при гибели массивной звезды. После того, как ядерное топливо звезды исчерпано, ее ядро ​​схлопывается до самого плотного состояния материи, которое только можно вообразить — в сто раз более плотного, чем атомное ядро. Оно настолько плотное, что протоны, нейтроны и электроны больше не являются дискретными частицами.  Поскольку черные дыры темные, их обнаруживают, когда они вращаются вокруг нормальной звезды. Ее свойства позволяют астрономам делать выводы о свойствах ее компаньона, черной дыры.

Cygnus X-1

Первой подтвержденной черной дырой стал Cygnus X-1  — самый яркий источник рентгеновского излучения в созвездии Cygnus. С тех пор было найдено около 50 черных дыр в системах, где обычная звезда вращается вокруг черной дыры. Это ближайшие примеры из предполагаемых 10 миллионов, рассеяных по Млечному Пути.

Черные дыры — могилы материи. Ничто не может избежать их, даже свет. Судьбой тех, кто упадет в черную дыру станет спагеттификация, идею которой популяризировал Стивен Хокинг в книге «Краткая история времени». При спагеттификации гравитация черной дыры разорвала бы вас на части, разделив кости, мышцы, сухожилия и даже молекулы. Как поэт Данте описал слова над вратами ада в «Божественной комедии»: «Оставь надежду, всяк сюда входящий».

Голодный зверь в каждой галактике

Наблюдения с помощью космического телескопа Хаббл за последние 30 лет показали, что все галактики имеют черные дыры в центре.

Природа знает, как создавать черные дыры ошеломляющего диапазона масс — от мертвых звезд, в несколько раз превышающих массу Солнца, до монстров, в десятки миллиардов раз массивнее. Это похоже на разницу между яблоком и Великой пирамидой в Гизе.

Буквально в прошлом году астрономы опубликовали первое в истории изображение черной дыры и ее горизонта событий — зверя с массой 7 миллиардов солнечных масс в центре эллиптической галактики M87.

Черная дыра в галактике M87

Это более чем в тысячу раз крупнее черной дыры в нашей галактике, первооткрыватели которой получили в этом году Нобелевскую премию. Эти черные дыры большую часть времени темные, но когда их гравитация притягивает близлежащие звезды и газ, они вспыхивают, вызывая интенсивную активность и выбрасывая огромное количество излучения. 

Массивные черные дыры опасны по двум причинам:

1. Если вы подойдете слишком близко, огромная гравитация поглотит вас. 

2. Если они находятся в активной фазе квазара, вы будете поражены излучением энергии.

Насколько ярок квазар? Представьте, что вы парите над большим городом, например, над Лос-Анджелесом ночью. Примерно 100 миллионов огней от автомобилей, домов и улиц города соответствуют звездам в галактике. По этой аналогии черная дыра в активном состоянии подобна источнику света диаметром 1 дюйм в центре Лос-Анджелеса, который затмевает город в сотни или тысячи раз. Квазары — самые яркие объекты во Вселенной.

Странные сверхмассивные черные дыры

Самая большая обнаруженная черная дыра весит в 40 миллиардов раз больше массы Солнца, или в 20 раз больше Млечного Пути. В то время как внешние планеты в нашей Солнечной системе обращаются по орбите один раз в 250 лет, этот гораздо более массивный объект вращается раз в три месяца. Его внешний край движется со скоростью вдвое меньше скорости света. 

Как и другие черные дыры, крупные скрыты от глаз горизонтом событий. В их центрах находится сингулярность — точка в пространстве, где плотность бесконечна. Мы не можем понять внутреннюю часть черной дыры, потому что законы физики нарушаются: время замирает на горизонте событий, а в сингулярности гравитация становится бесконечной.

Хорошая новость о массивных черных дырах заключается в том, что вы можете выжить, попав в одну из них. Их гравитация сильнее, но сила растяжения слабее, чем у маленькой черной дыры, и она не убьет вас. Плохая новость в том, что горизонт событий отмечает край пропасти. Ничто не может ускользнуть из-за горизонта событий, поэтому вы не сможете убежать и рассказать о своем путешествии.

По словам Стивена Хокинга, черные дыры медленно испаряются. В далеком будущем Вселенной, спустя много времени после того, как все звезды умрут и галактики исчезнут из поля зрения ускоряющегося космического расширения, черные дыры будут последними выжившими объектами.

Самым массивным черным дырам потребуется невообразимое количество лет, чтобы испариться. По оценкам, 10 в сотой степени или 10 со 100 нулями после него. Самые страшные объекты во Вселенной почти вечны.

Большой взрыв | Управление научной миссии

Астрономы объединяют математические модели с наблюдениями, чтобы разработать работающие теории о том, как возникла Вселенная. Математические основы теории Большого взрыва включают общую теорию относительности Альберта Эйнштейна наряду со стандартными теориями элементарных частиц. Сегодня космические аппараты НАСА, такие как космический телескоп Хаббл и космический телескоп Спитцер, продолжают измерять расширение Вселенной. Одной из целей уже давно было решить, будет ли Вселенная расширяться вечно или же она когда-нибудь остановится, развернется и рухнет в «Большом сжатии?»

Фоновое излучение

Согласно физическим теориям, если бы мы посмотрели на Вселенную через секунду после Большого взрыва, то увидели бы море нейтронов, протонов, электронов, температурой 10 миллиардов градусов (° К). антиэлектроны (позитроны), фотоны и нейтрино. Затем, с течением времени, мы увидим, как Вселенная остывает, нейтроны либо распадаются на протоны и электроны, либо соединяются с протонами, образуя дейтерий (изотоп водорода). По мере того как он продолжал охлаждаться, он в конечном итоге достигал температуры, при которой электроны объединялись с ядрами, образуя нейтральные атомы. До того, как произошла эта «рекомбинация», Вселенная была бы непрозрачной, потому что свободные электроны заставили бы свет (фотоны) рассеиваться так же, как солнечный свет рассеивается каплями воды в облаках. Но когда свободные электроны поглощались, образуя нейтральные атомы, Вселенная внезапно становилась прозрачной. Те же самые фотоны — послесвечение Большого взрыва, известное как космическое фоновое излучение — можно наблюдать и сегодня.

Миссии по изучению космического фонового излучения

НАСА запустило две миссии по изучению космического фонового излучения, сделав «детские снимки» Вселенной всего через 400 000 лет после ее рождения. Первым из них был Cosmic Background Explorer (COBE). В 1992 году команда COBE объявила, что они нанесли на карту изначальные горячие и холодные точки в космическом фоновом излучении. Эти пятна связаны с гравитационным полем в ранней Вселенной и формируют зародыши гигантских скоплений галактик, простирающихся на сотни миллионов световых лет по всей Вселенной. Эта работа принесла доктору Джону Мазеру из НАСА и Джорджу Ф. Смуту из Калифорнийского университета Нобелевскую премию по физике 2006 года.

Второй миссией по исследованию космического фонового излучения стал Зонд анизотропии Wilkinson Microware (WMAP). Обладая значительно улучшенным разрешением по сравнению с COBE, WMAP провел обзор всего неба, измеряя разность температур микроволнового излучения, которое почти равномерно распределено по Вселенной. На картинке показана карта неба, где горячие области отмечены красным цветом, а более холодные — синим. Объединив это свидетельство с теоретическими моделями Вселенной, ученые пришли к выводу, что Вселенная «плоская», а это означает, что в космологических масштабах геометрия пространства удовлетворяет правилам евклидовой геометрии (например, параллельные линии никогда не пересекаются, соотношение длина окружности к диаметру равна пи и т. д.).

Третья миссия, Планк, возглавляемая Европейским космическим агентством при значительном участии НАСА, была. запущен в 2009 году. Планк создает самые точные карты микроволнового фонового излучения. С помощью инструментов, чувствительных к изменениям температуры в несколько миллионных долей градуса, и картографируя все небо в 9 диапазонах длин волн, он измеряет колебания температуры реликтового излучения с точностью, установленной фундаментальными астрофизическими пределами.

 

«Детская картинка» Вселенной. Карта WMAP температуры микроволнового фонового излучения показывает крошечные вариации (несколько микроградусов) в фоновом режиме 3K. Горячие точки показаны красными, холодные — темно-синими.

 

Инфляция

Одна проблема, возникшая из первоначальных результатов COBE и сохраняющаяся с данными WMAP с более высоким разрешением, заключалась в том, что Вселенная была на слишком однородной. Как могли кусочки Вселенной, которые никогда не соприкасались друг с другом, прийти к равновесию при одной и той же температуре? Однако эту и другие космологические проблемы можно было бы решить, если бы сразу после Большого взрыва был очень короткий период, когда Вселенная испытала невероятный всплеск расширения, называемый «инфляцией». Для того чтобы эта инфляция имела место, Вселенная во время Большого взрыва должна была быть заполнена нестабильной формой энергии, природа которой еще не известна. Какой бы ни была ее природа, инфляционная модель предсказывает, что эта первичная энергия была бы неравномерно распределена в пространстве из-за своего рода квантового шума, который возник, когда Вселенная была чрезвычайно мала. Эта картина должна была быть перенесена на материю Вселенной и проявиться в фотонах, которые в момент рекомбинации начали свободно разлетаться. В результате мы ожидали увидеть и видим такого рода паттерн на изображениях Вселенной COBE и WMAP.

Но все это оставляет без ответа вопрос о том, что вызвало инфляцию. Одна из трудностей при ответе на этот вопрос заключается в том, что инфляция закончилась задолго до рекомбинации, и поэтому непрозрачность Вселенной до рекомбинации, по сути, является завесой, опущенной над этими интересными очень ранними событиями. К счастью, есть способ наблюдать за Вселенной, в котором вообще не участвуют фотоны. Гравитационные волны, единственная известная форма информации, которая может дойти до нас неискаженной с момента Большого Взрыва, могут нести информацию, которую мы не можем получить никаким другим способом. НАСА и ЕКА рассматривают несколько миссий, которые будут искать гравитационные волны эпохи инфляции.

Темная энергия

В течение многих лет после Хаббла и COBE картина Большого взрыва постепенно прояснялась. Но в 1996 году наблюдения очень далеких сверхновых потребовали резкого изменения картины. Всегда предполагалось, что материя Вселенной замедляет скорость ее расширения. Масса создает гравитацию, гравитация создает притяжение, притяжение должно замедлять расширение. Но наблюдения сверхновых показали, что расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется. Что-то, не похожее на материю и не на обычную энергию, раздвигает галактики. Эту «вещь» окрестили темной энергией, но дать ей имя — значит не понять ее. Является ли темная энергия типом динамической жидкости, до сих пор неизвестной физике, или же это свойство вакуума пустого пространства, или это какая-то модификация общей теории относительности, пока неизвестно.

Последние открытия

Дата	Дискавери
19 мая 2022 г.	Хаббл достиг новой вехи в тайне скорости расширения Вселенной
10 ноября 2021 г.	Черные дыры могут рассказать нам о скорости расширения Вселенной
3 июня 2020 г.	Хаббл сделал удивительную находку в ранней Вселенной
апрель 2020 г.	Расширение Вселенной не может быть одинаковым во всех направлениях
8 января 2020 г.	Космические увеличительные стекла дают независимое измерение расширения Вселенной
16 июля 2019 г.	Новое измерение постоянной Хаббла добавляет к тайне скорости расширения Вселенной
25 апреля 2019 г.	Тайна скорости расширения Вселенной раскрывается благодаря новым данным Хаббла
17 апреля 2019 г.	Наконец-то найден первый тип молекулы во Вселенной
14 февраля 2019 г.	Где Вселенная прячет недостающую массу?
17 июля 2018 г.	От почти идеальной вселенной к лучшему из обоих миров
12 июля 2018 г.	Хаббл и Гайя объединяются для разгадки космической загадки
21 июня 2018 г.	Хаббл доказывает правоту Эйнштейна в галактических масштабах
22 февраля 2018 г.	Окно в космическое прошлое — PLCK G004.5-19.5
20 апреля 2017 г.	Хаббл наблюдает первые несколько изображений индикатора расстояния взрыва
20 февраля 2017 г.	Астрономическое сотрудничество
26 января 2017 г.	Космические линзы поддерживают обнаружение более быстрого, чем ожидалось, расширения Вселенной
2 июня 2016 г.	Вселенная расширяется быстрее, чем ожидалось

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 года от Земли , согласно заявлению НАСА .

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), приблизительно 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 EHT Collaboration)

(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 доминируют 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 считали, 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 уже 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 потрясающим 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 (откроется 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. Представь вселенную! (открывается в новой вкладке) НАСА. Проверено 6 мая 2022 г.

Боэн, Б. ( 2013 г., 29 августа (открывается в новой вкладке)). Сверхмассивная черная дыра Стрелец A*.