Содержание
Что такое чёрная дыра в космосе простым языком
Активные черные дыры поглощают вещество из окружающей среды и становятся еще тяжелее. Их сфера влияния увеличивается, и они могут получить новую материю.
Но есть также «спящие» черные дыры, которые существуют, но не могут добраться до материи. Когда что-то случается с ними, они снова просыпаются.
Черные дыры являются важным строительным блоком Вселенной. Без них она выглядела бы совершенно иначе. Предположительно, галактик вообще не было бы. В настоящее время изучается влияние черных дыр на их образование.
Дыра настолько черная, что она не излучает свет. Проходящие световые лучи отталкиваются от её первоначальной орбиты огромной гравитацией. В зависимости от того, насколько близок луч света к черной дыре, он оказывает на неё очень разные эффекты.
Как найти черную дыру
При данном явлении наблюдается изгиб световых лучей. Если между нами и далекой галактикой есть черная дыра, мы думаем, что свет галактики будет согнут, потому что он должен пройти через гравитационное поле черной дыры.
Отклонение лучей называется гравитационным линзированием. Этот эффект также возникает, когда большие массовые коллекции, такие как галактики или кластеры галактик, находятся на пути и изгибают свет от базовых объектов.
Неожиданно галактика может появиться несколько раз, а её клоны образуют кольцо вокруг черной дыры. Такие кольца выделяются, когда, например, космический телескоп Хаббла фотографирует звездные поля. Сама черная дыра не видна, но кольца указывают на нее.
Однако, изображение галактики или звезды скользит, поэтому оно находится не в своём точном месте нахождения.
Световые лучи, исходящие от далекой звезды, пересекают гравитационное поле черной дыры и отклоняются от исходной орбиты.
Таким образом, наблюдатель на Земле не видит эту звезду там, где она на самом деле находится. Вместо этого звезда немного смещена, а иногда в два раза или больше!
Если черная дыра когда-то принадлежала двойной звездной системе, которая превратила звезду в черную дыру, вы можете увидеть, как она постоянно истощает материю от оставшейся звезды.
При этом вокруг черной дыры образуется аккреционный диск, в котором «украденное» вещество вращается вокруг области и постепенно попадает в неё.
Как развиваются черные дыры, и какие типы существуют
Вспышка сверхновой
Массивная звезда в конце своей жизни взрывается в сверхновую и отталкивает ее внешние слои. Остальная часть звезды разрушается и сжимается в самых маленьких пространствах. Там создается черная дыра, которая больше не позволяет свету убегать.
Если бы это случилось с нашим Солнцем, у него просто был бы диаметр 3 км!
Для того чтобы вспышка сверхновой произошла, звезда должна весить не менее восьми солнечных масс. После опускания её внешних слоев впечатляющим образом остается черная дыра, в которой масса бывшей звезды концентрируется в крошечном пространстве.
Черные дыры, вероятно, могут возникнуть, когда две звезды сталкиваются и объединяют свои массы. Если масса превышает определенное значение, эта новая звезда рушится до черной дыры.
Галактика Сомбреро
Существуют сверхмассивные черные дыры, которые в миллион или даже в миллиард раз больше массы нашего Солнца.
Они находятся в центре большинства галактик.
Как они появились, до сих пор неясно, и сейчас их изучают. Может быть, когда черные дыры слились вместе. Или они пожирают столько материи из своей среды в ходе существования, что могут стать чрезвычайно тяжелыми. Считается, что прийти к образованию большой галактики можно благодаря наличию черной дыры.
В лаборатории вскоре могут быть выпущены мини-черные дыры.
Есть ли крошечные черные дыры во Вселенной, трудно ответить, потому что за невозможно проследить. Но кто знает, может быть, кто-то живет в стиральной машине и проглатывает некоторые вещи оттуда?
Изначальные черные дыры в настоящее время остаются чистой теорией. Возможно, они сформировались вскоре после Большого взрыва, когда материя все еще была переполнена в ограниченном пространстве. В некоторых местах она была, вероятно, настолько плотной, что смогла создать черную дыру.
Чёрная дыра — простым языком о сложном космическом явлении
admin
Время чтения примерно: 2 — 4 минуты
Чёрная дыра — это место в космосе, где гравитация настолько сильна, что даже объекты движущиеся со скоростью света не могут ей сопротивляться, в том числе сами частицы света. Такое гравитационное притяжение возникает, потому что материя была сжата в крошечное пространство. Считается, что подобные явления происходят, когда умирают звёзды.
Поскольку никакой свет не может покинуть эту область, чёрные дыры буквально невидимы. Однако космические телескопы со специальным оборудованием способны их обнаруживать. Например, можно фиксировать необычное поведение объектов, которые находятся близко к чёрной дыре.
Содержание
Размеры чёрных дыр
Учёные считают, что самые маленькие чёрные дыры, размером всего в один атом, могли возникнуть в первые мгновения существования Вселенной. Подобные условия создают на большом адронном коллайдере, и у общественности возникают опасения, что это может привести к возникновению чёрной дыры.
Другой вид чёрных дыр называется «звёздным». Их масса может быть в 20 раз больше массы Солнца. В нашей галактике возможно существование множества чёрных дыр звёздной массы.
Первое реальное фото тени чёрной дыры, полученное напрямую в радиодиапазоне
Самые большие чёрные дыры называются «сверхмассивными». Они имеют массы, которые составляют более 1 миллиона Солнц. Ученые нашли доказательства того, что каждая большая галактика содержит сверхмассивную черную дыру в своем центре. Такой объект в центре галактики Млечный Путь называется Стрелец А. Она имеет массу, равную примерно 4 миллионам Солнц.
Как образуются чёрные дыры
Такие большие объекты, как звёзды, обладают большой гравитацией. Вся материя звезды всегда притягивается к центру, но термоядерные реакции не позволяют ей схлопнуться. То есть с одной стороны работает притяжение, а с другой давление, которое удерживает форму звезды.
Самой популярной считается теория, что чёрная дыра — это конечная стадия жизни звезды с очень большой массой, превышающей как минимум массу 20 Солнц.
Когда внутри такой звезды прекращаются термоядерные реакции (заканчивается топливо), то под действием своей огромной гравитации она ускоренно сжимается в нейтронную звезду. В зависимости от своей начальной массы, она может остаться сверхплотной нейтронной звездой либо продолжить сжиматься с такой силой, что даже свет не сможет покинуть её пределы — это и будет чёрная дыра.
Существует и другой сценарий, когда все те же процессы происходят с межзвёздным газом, находящимся на стадии превращения в галактику или какое-то скопление. Если внутреннее давление не может компенсировать гравитацию, то вся материя начинает сжиматься, что приводит к образованию чёрной дыры.
Как учёные узнают о чёрных дырах
Чёрная дыра не излучает и не отражает свет подобно большинству других объектов во Вселенной.
Но ученые могут фиксировать, как сильная гравитация влияет на звёзды и газ вокруг чёрной дыры. По поведению объектов, рядом с которыми есть чёрная дыра, собственно можно доказать её наличие.
- Звёзды вращаются вокруг центра гравитации. Если в этом месте ничего нет, значит есть вероятность, что это чёрная дыра.
- Из окружающего пространства чёрная дыра постоянно притягивает материю. Космическая пыль, газ, вещество ближайших звезд — всё это падает на неё по спирали, образуя аккреционный диск. Испытывая ускорение, частицы порождают излучение в характерном спектре. В области, откуда это излучение пришло, наверняка есть чёрная дыра.
Модель пространства вокруг чёрной дыры
Может ли чёрная дыра уничтожить Землю
Чёрные дыры не передвигаются по космосу, поглощая звёзды, луны и планеты. Земля не упадет в чёрную дыру, потому что ни одна из них не находится достаточно близко к Солнечной системе.
Вас может заинтересовать: Что будет, если Земля перестанет вращаться
Даже если бы в центре нашей системы образовалась чёрная дыра той же массы, что Солнце, Землю всё равно бы не затянуло туда.
Чёрная дыра будет иметь ту же гравитацию, что и Солнце. Земля и другие планеты будут вращаться вокруг неё, как они вращаются вокруг Солнца.
В Солнечной системе мало что изменится, не считая неприятностей на Земле…
В любом случае Солнце не такая большая звезда, чтобы когда-то превратиться в чёрную дыру.
Сумели разобраться, что такое чёрные дыры?
Да, всё ясно
В общих чертах
Хотелось бы получить больше информации
Нет, ничего не понял
Другой вариант (напишу в комментариях)
Poll Options are limited because JavaScript is disabled in your browser.
Опрос из статьи: Что такое чёрные дыры
О выходе новых статей рассказываем в соцсетях
Актуально
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 являются результатом того, что звездный материал отрывается от яркой звезды и «поглощается» 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 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 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 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 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.
Вместо этого объекты падают в них точно так же, как они падают на все, что обладает гравитацией, например на Землю.
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].
Нола Тейлор Тиллман — автор статей для Space.com. Она любит все, что связано с космосом и астрономией, и наслаждается возможностью узнать больше. Она имеет степень бакалавра английского языка и астрофизики в колледже Агнес Скотт и проходила стажировку в журнале Sky & Telescope. В свободное время она обучает своих четверых детей дома. Подпишитесь на нее в Twitter на @NolaTRedd
.
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 являются результатом того, что звездный материал отрывается от яркой звезды и «поглощается» 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 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 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 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 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.
Вместо этого объекты падают в них точно так же, как они падают на все, что обладает гравитацией, например на Землю.
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.