Горизонт событий черной дыры: Что такое горизонт событий?

Содержание

Горизонт событий | это… Что такое Горизонт событий?

У этого термина существуют и другие значения, см. Горизонт событий (значения).

Горизо́нт собы́тий — воображаемая граница в пространстве-времени, разделяющая те события (точки пространства-времени), которые можно соединить с событиями на светоподобной (изотропной) бесконечности светоподобными геодезическими линиями (траекториями световых лучей), и те события, которые так соединить нельзя. Так как обычно светоподобных бесконечностей у данного пространства-времени две: относящаяся к прошлому и будущему, то и горизонтов событий может быть два: горизонт событий прошлого и горизонт событий будущего. Упрощённо можно сказать, что горизонт событий прошлого разделяет события на те, на которые можно повлиять с бесконечности, и на которые нельзя; а горизонт событий будущего отделяет события, о которых можно что-либо узнать, хотя бы в бесконечно отдалённой перспективе, от событий, о которых узнать ничего нельзя. Это связано с тем, что скорость света является предельной скоростью распространения любых взаимодействий, так что никакая информация не может распространяться быстрее.

Горизонт событий обычно является 3-мерной гиперповерхностью. Необходимым и достаточным условием его существования является пространственноподобность хотя бы части светоподобной (изотропной) бесконечности. Следует отметить, что горизонт событий — понятие интегральное и нелокальное, так как в его определении участвует светоподобная бесконечность, то есть все бесконечно удалённые области пространства-времени. Поэтому в своей непосредственной окрестности горизонт событий ничем не выделен, что представляет проблему при численных расчётах в общей теории относительности. Для решения этой проблемы предложены некоторые близкие по свойствам к горизонту событий, но локально определяемые понятия: динамический горизонт, ловушечная поверхность и кажущийся горизонт (apparent horizon).

Существует также понятие горизонта событий отдельного наблюдателя. Он разделяет между собой события, которые можно соединить с мировой линией наблюдателя светоподобными (изотропными) геодезическими линиями, направленными соответственно в будущее — горизонт событий прошлого, и в прошлое — горизонт событий будущего, и события, с которыми этого сделать нельзя. Например, постоянно равномерно ускоренный наблюдатель в пространстве Минковского имеет свои горизонты прошлого и будущего (см. горизонт Риндлера).

Содержание

1 Горизонт событий чёрной дыры
2 Другие примеры горизонтов событий
3 См. также
4 Примечания

Горизонт событий чёрной дыры

Горизонт событий будущего является необходимым признаком чёрной дыры как теоретического объекта. Горизонт событий сферически-симметричной чёрной дыры называется сферой Шварцшильда и имеет характерный размер, называемый гравитационным радиусом.

Находясь под горизонтом событий, любое тело будет двигаться только внутри чёрной дыры и не сможет вернуться обратно во внешнее пространство. C точки зрения наблюдателя, свободно падающего в чёрную дыру, свет может свободно распространяться как по направлению к чёрной дыре, так и от неё. Однако после пересечения горизонта событий даже свет, распространяющийся от наблюдателя наружу, никогда не сможет выйти за пределы горизонта. Предмет, попавший внутрь горизонта событий, в конце концов, вероятно, попадает в сингулярность, а перед этим вытягивается в струну вследствие высокого градиента силы притяжения чёрной дыры (приливных сил).

Энергия, возможно, может покидать чёрную дыру посредством т. н. излучения Хокинга, представляющего собой квантовый эффект. Если так, истинные горизонты событий в строгом смысле у сколлапсировавших объектов в нашей Вселенной не формируются. Тем не менее, так как астрофизические сколлапсировавшие объекты — это очень классические системы, то точность их описания классической моделью чёрной дыры достаточна для всех мыслимых астрофизических приложений^[1].

Другие примеры горизонтов событий

Для наблюдателя, движущегося с постоянным ускорением в пространстве Минковского (его скорость в инерциальной системе отсчёта приближается к скорости света, но не достигает её) существуют два горизонта событий, так называемые горизонты Риндлера (см. координаты Риндлера).
Более того, для ускоренного наблюдателя существует аналог излучения Хокинга — излучение Унру.
Горизонт событий будущего существует для нас в нашей Вселенной, если верна современная космологическая модель ΛCDM.
В акустике также существует конечная скорость распространения взаимодействия — скорость звука, в силу чего математический аппарат и физические следствия акустики и теории относительности становятся аналогичными, а в сверхзвуковых потоках жидкости или газа возникают аналоги горизонтов событий — акустические горизонты.

См. также

Пространство-время
Метрика Шварцшильда

Примечания

↑ Сергей Попов. Экстравагантные консерваторы и консервативные эксцентрики // Троицкий Вариант : газета. — 27 октября 2009. — В. 21 (40N). — С. 6—7.

Яркие научные события 2019 года: Тень черной дыры

30.12.2019 07:54

3826

Добавить в закладки

2019 год был по-настоящему насыщенным для научного
сообщества. В июле Россия успешно вывела на орбиту новую
уникальную космическую обсерваторию «Спектр-РГ». В ходе
раскопок в центре Смоленска российские и французские
археологи нашли останки, принадлежащие, как потом
подтвердила ДНК-экспертиза, одному из ближайших соратников
Наполеона генералу Сезару Шарлю-Этьену Гюдену. Научная группа
Джона Мартинеса из Google заявила о достижении квантового
превосходства на 53-кубитном прототипе квантового компьютера. А
международная группа астрономов впервые получила прямое
визуальное изображение сверхмассивной черной дыры в центре
галактики М 87 и ее тени. Вспоминаем, как им это удалось.

Мы знаем, что черные дыры — необычные космические
объекты. Они обладают гигантской массой при
исключительно компактных размерах. Чем больше масса объекта,
тем больше его гравитация, искривляющая пространство. У черной
дыры гравитация настолько колоссальна, что ни один объект не
может ей противиться. Вокруг черной дыры есть область, называемая
горизонтом событий — точка невозврата, которую не способны
покинуть даже фотоны (движущиеся со скоростью света кванты
электромагнитного поля).

Кадр из фильма «Интерстеллар». Наиболее реалистичное изображение черной дыры за всю историю кинематографа. Кстати сказать, научным консультантом фильма выступал ведущий физик-теоретик Кип Торн.

Природа черных дыр всегда казалась совершенно загадочной. Даже
Эйнштейн, на теории относительности которого базируются
современные представления о космосе, не верил в
существование такого фантастического явления, как черные дыры. А
в одной из своих работ утверждал, что их точно не существует и
это можно доказать. Дальнейшее развитие науки показало, что здесь
великий ученый ошибался. В шестидесятые годы астрофизики
всерьез занялись поисками экзотических объектов Вселенной.
Изначально, их пытались найти среди ярких источников света во
Вселенной. Затем в системах двойных звезд, когда в телескоп видна
лишь одна звезда. Это знак для астрофизиков: невидимый
партнер — черная дыра. Звезды этой пары расположены так близко
одна к другой, что невидимка «высасывает» вещество видимой звезды
и поглощает его.

Между тем, все теории оставались лишь теориями и подкреплялись
математическими моделями. Но ученые не сдавались.
Прорыв случился благодаря работе восьми телескопов проекта Event
Horizon Telescope (EHT) или «Горизонт событий», которые
последние несколько лет исследовали ближайшие к Земле черные
дыры. Телескоп горизонта событий — это глобальная сеть
обсерваторий, работающих вместе по
принципу радиоинтерферометра. Эта технология позволяет
комбинировать данные с нескольких удаленных приемников и получать
результаты, как если бы имелся телескоп размером c нашу планету.
Благодаря многолетней работе весь мир смог взглянуть на черную
дыру, а точнее — на ее тень.

Дело в том, что увидеть саму черную дыру попросту невозможно,
даже с помощью аппаратуры. Поэтому, строго говоря, на
фотографии не сама черная дыра, а ее «внешняя оболочка» —
горизонт событий. Именно здесь гравитация черной дыры уже не дает
вырваться наружу никакой информации. Однако снаружи у лучей
еще есть возможность избежать притяжения. Благодаря этому
астрономы могут наблюдать горизонт событий.

Сердце галактики Messier 87. Источник: https://eventhorizontelescope.org/videos

После расшифровки около 500 терабайт данных в начале апреля
2019-го руководители проекта EHT
впервые показали фотографию отражения горизонта событий
черной дыры в центре галактики Messier 87 в созвездии
Девы. По словам астрофизика из Университета Аризоны
Димитриоса Псалтиса, сфотографировать тень, которую отбрасывает
горизонт событий черной дыры — это все равно, что
сфотографировать с Земли DVD-диск на поверхности Луны.
Отражение горизонта событий демонстрирует искривленный свет
и всю окружающую среду, которую поглощает черная дыра,
в прямом смысле изменяя известные человеку законы физики.

Несмотря на получение изображения горизонта событий, сегодня
существуют только гипотезы о природе формирования
и характеристиках черных дыр, поскольку приблизиться
к ним практически невозможно. Сейчас Национальный
научный фонд выделил грант на улучшение телескопа горизонта
событий. В рамках работы планируется расширить и дополнить
систему новыми приборами, а также увеличить рабочую частотную
полосу, что позволит получать более четкие изображения и в
динамике следить за падением газа на сверхмассивную черную дыру.

Расположение обсерваторий, которые могли бы входить в обновленный телескоп горизонта событий. Желтым отмечены уже участвовавшие инструменты, оранжевым показаны готовящиеся к подключению в 2020 году, а голубым — рассматриваемые для включения в систему кандидаты. Источник: EHT

Автор Подготовила Анастасия Пензина

горизонт событий
телескоп горизонта событий
фотография черной дыры
черная дыра

Информация предоставлена Информационным агентством «Научная Россия». Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано
Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.

НАУКА ДЕТЯМ

Ученые УрФУ научились прогнозировать численность российских бабушек и дедушек

11:30 / Наука и общество

Нейроны, выращенные в лаборатории, учатся играть в компьютерную игру

18:00 / Нейронауки

Ученые разработали более точный метод подсчёта избыточной смертности

17:35 / Здравоохранение, Медицина, Наглядный пример

Полимер и аптамеры сделали противораковый препарат более безопасным и эффективным

15:30 / Медицина

Ученые описали механические свойства перспективного материала для восстановления тканей

14:30 / Биология, Физика

Черная дыра «выплюнула» остатки звезды, поглощенной несколько лет назад

14:00 / Астрофизика

Ученые смогли в 10 раз улучшить свойства уникального полупроводника

13:30 / Физика

Дмитрий Чернышенко провел рабочую встречу с президентом Российской академии наук

13:09 / Наука и общество

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН на APCOM-2022

12:30 / Физика

Создана модель для разработки эффективных противоэпилептических препаратов

11:30 / Биология, Медицина

Памяти великого ученого. Наука в глобальном мире. «Очевиднное — невероятное» эфир 10.05.2008

04.03.2019

Памяти великого ученого. Нанотехнологии. «Очевидное — невероятное» эфир 3.08.2002

04.03.2019

Вспоминая Сергея Петровича Капицу

14.02.2017

Смотреть все

Как пересечь горизонт событий на звездолете

Помните, в повести братьев Стругацких «Жук в муравейнике» упоминается о полете уникального звездолета «Тьма» внутрь черной дыры ЕН 200056… Если когда-нибудь человечество дорастет до попытки осуществить такой эксперимент, каковы будут его результаты?

Алексей Левин

Предположим, что дыра, в которую нужно проникнуть, статична и потому не закручивает окружающее пространство (Стругацкие не упоминают, обладала ли дыра вращательным моментом). В этом случае границей дыры (она же горизонт событий) служит правильная сфера. Космический корабль после вхождения в эту сферу обречен на падение в центр дыры, и никакие маневры не в состоянии это предотвратить. Неподвижные объекты внутри такой дыры существовать не могут, а малейшее движение неотвратимо повлечет к ее центру, к точке сингулярности, вблизи которой сила тяготения стремится к бесконечности. Пространство внутри дыры ведет себя подобно времени — обратные движения там невозможны (это правило распространяется не только на материальные тела, но и на кванты света). Прыгать в такую дыру нет смысла, поскольку звездолет-разведчик не сможет передать оттуда никакой информации, а при приближении к точке сингулярности будет разорван приливными силами.

Космический волчок

Ситуация внутри вращающейся дыры намного интересней. Дело в том, что у нее две не совпадающие внешние границы: горизонт событий и предел статичности. Предел статичности — это граница области, внутри которой любое тело уже не может находиться в состоянии покоя относительно удаленного наблюдателя, а должно вращаться вокруг черной дыры, чтобы удерживаться от падения. У невращающейся дыры горизонт событий и предел статичности совпадают, а у вращающейся соприкасаются лишь на полюсах (они не сферичны, а сплюснуты вдоль оси вращения дыры). При пролете через лежащую между ними полость (эргосферу) капитан «Тьмы» еще может повернуть вспять и вернуться в нашу Вселенную.

Незаряженная вращающаяся дыра описывается решением уравнений Эйнштейна, которое впервые получил новозеландский математик Рой Керр в 1963 году. В случае невращающейся дыры горизонт событий один, а сингулярность представляет собой точку в центре дыры. Но достаточно даже небольшого вращения для появления второго (внутреннего) горизонта событий, сингулярность Керровской черной дыры представляет собой кольцо. При увеличении момента импульса внутренний горизонт событий будет расширяться, а внешний – сужаться, пока они не «схлопнутся» в один (это случай т.н. предельной Керровской черной дыры). При дальнейшем увеличении скорости вращения горизонт событий должен исчезнуть, оставив голую сингулярность (которая, вообще говоря, запрещена «принципом космической цензуры»).

Внутренности дыры

Что случится, если «Тьма» все-таки нырнет в дыру? После пересечения горизонта событий звездолет сначала неудержимо потянет вглубь, как это происходит при падении в дыру с нулевым моментом вращения. Это означает, что непосредственно под горизонтом событий находится такое же «времяподобное» пространство, как и в невращающейся дыре, но теперь оно не достигает центра дыры. Изнутри это пространство ограничено вторым горизонтом, а в нем расположено обычное пространство (хотя и сильно искривленное), где возможны перемещения в различных направлениях.

Однако здесь необходима осторожность. В этой области, точнее в ее экваториальной плоскости, имеется зона, где кривизна пространства, а следовательно, и гравитация стремится к бесконечности, — сингулярность. Но в данном случае это не точка, как в случае невращающейся дыры, а замкнутое кольцо. Приближаться к нему не стоит — опять-таки из-за катастрофических приливных сил. Тем не менее звездолет может выйти на траекторию, которая навсегда оставит его внутри второго горизонта, не дав упасть на кольцевую сингулярность. Но корабль уже никогда не пересечет этот горизонт и не вернется во «времяподобное» пространство.

Пролетая насквозь

Допустим, что «Тьма» летит «над» сингулярностью в «северной области» внутреннего пространства. Капитан может направить корабль на «юг», либо обогнув сингулярность, либо пролетев сквозь отверстие в кольце сингулярности. Оба маршрута возможны, но ведут в разные пространства без единой общей точки! Обходное движение оставит корабль внутри второго горизонта все той же дыры. А прыжок сквозь кольцо обещает куда больше — звездолет может выйти на траекторию, которая пересечет оба горизонта и выведет его в нормальное пространство за пределами дыры. Правда, это будет пространство другой Вселенной — отрицательной.

Есть ли у команды «Тьмы» реальный шанс не только выжить, но и проникнуть в иное мироздание? Увы, скорее всего это только математическая иллюзия. Все приведенные сценарии путешествия внутри вращающейся черной дыры основаны на предположении, что корабль имеет нулевую массу и поэтому не возмущает своим присутствием симметрию внутридырного пространства. Но вряд ли звездолеты будущего будут невесомыми…

Поскольку невесомые звездолеты вряд ли появятся и в отдаленном будущем, отважным космонавтам, скорее всего, ничего хорошего не светит. Есть основания полагать, что немедленно по пересечении кораблем внешнего горизонта начнутся «биения» внутренней геометрии дыры, которые превратятся в источник мощнейшего гравитационного излучения. Гравитационные конвульсии необратимо разрушат прежнюю симметрию внутридырного пространства, что полностью исключит возможность прорыва в иную Вселенную.

Первое изображение горизонта событий черной дыры, полученное телескопом Event Horizon

Впервые в истории человечества астрономы объединили возможности телескопов со всей нашей планеты, чтобы создать изображение, показывающее горизонт событий черной дыры. черная дыра.

Собранный массив называется Event Horizon Telescope, и в течение четырех ночей в апреле 2017 года он наблюдал сверхмассивную черную дыру в центре M87, эллиптической галактики в скоплении Девы, в 55 миллионах световых лет от Земли.

То, что они увидели, просто ошеломительно:

Самое первое изображение горизонта событий сверхмассивной черной дыры. На нем показан силуэт черной дыры с массой в 6,5 миллиардов масс Солнца, расположенной в ядре галактики M87 в 55 миллионах световых лет от Земли. Кредит: NSF

Фото:
НСФ

Здесь я хочу быть очень осторожным, так как это изображение немного сложнее, чем просто кольцо света с черной дырой в центре, и физика, стоящая за ним, довольно жесткая.

Для ясности: на самом деле вы не видите саму черную дыру. Эта круглая дыра в центре кольца — не черная дыра, а результат ее гравитации. Ее называют «тенью» черной дыры, но я думаю о ней скорее как о ее маскирующем устройстве: гравитация преломляет свет от окружающего ее материала, направляя его к нам, оставляя щель там, где находится сама черная дыра. Возможно, лучший способ описать это — как силуэт гравитации черной дыры.

Это видео должно дать вам представление об эффекте:

Чтобы дать вам представление о масштабе, темная дыра в центре имеет диаметр около 40 миллиардов километров. В среднем Нептун находится примерно в 5 миллиардах километров от Солнца, что делает эту дыру намного больше, чем наша Солнечная система.

Егадс.

Итак, вернемся немного назад.

Черная дыра — это объект с очень сильной гравитацией. Сила гравитации, которую вы чувствуете от объекта, зависит от его массы и от того, насколько вы находитесь от него. Если вы возьмете большой объект, такой как Солнце, и сожмете его, гравитация на его поверхности станет сильнее. В какой-то момент объект становится настолько маленьким, что гравитация становится невероятно сильной, настолько сильной, что даже свет не может вырваться. Поскольку свет — самая быстрая вещь во Вселенной, это означает, что ничто не может ускользнуть от него. Это как бесконечно глубокая дыра в пространстве, из которой ничего не выходит: черная дыра.

Это может помочь: Мой интенсивный курс астрономии, эпизод о черных дырах:

То, что у вас осталось, — это сферическая область в космосе, из которой ничто не может выйти наружу. Поверхность этой сферы, если так думать, называется горизонтом событий (потому что любое событие, происходящее внутри нее, находится за пределами вашего горизонта и не может быть замечено). Но только за пределами , гравитация очень сильная, но не невозможная. Фотон, частица света, пройдя около этого предела, но все еще вне его, будет иметь значительно искривленный путь, но он может сбежать из .

Размер горизонта событий зависит от массы черной дыры. Если вы сделаете математику — впервые вычисленную Эйнштейном в начале 1900-х годов — вы обнаружите, что если вы сожмете Солнце до черной дыры, ее диаметр будет 6 километров. Имейте в виду, что сейчас диаметр Солнца составляет 1,4 миллиона километров! Таким образом, вы должны сделать объекты невероятно маленькими и плотными, чтобы они стали черными дырами.

Сейчас мы думаем, что каждая большая галактика во Вселенной имеет в центре сверхмассивную черную дыру, масса которой в миллионы или даже миллиарды раз превышает массу Солнца. Например, в Млечном Пути есть одна, масса которой более чем в 4 миллиона раз превышает массу Солнца.

M87 — эллиптическая галактика в центре скопления Девы, скопления сотен галактик, разбросанных по небу между созвездиями Льва и Девы. Это огромная галактика, достаточно яркая, чтобы ее можно было увидеть в бинокль, хотя она находится на расстоянии 55 миллионов световых лет.

Это также активная галактика : В отличие от сверхмассивной черной дыры в Млечном Пути, та, что находится в центре M87, активно поглощает материю. Материал, в основном газ и пыль, падает в него и при этом образует плоский диск, называемый аккреционным диском, который начинается сразу за горизонтом событий и простирается на многие миллиарды километров. Скорость, с которой он вращается, зависит от его расстояния от горизонта событий; то, что находится очень близко, движется почти со скоростью света, а то, что находится дальше, движется медленнее.

Основные компоненты активной черной дыры, включая горизонт событий, аккреционный диск и джет. Кредит: ЕСО

Фото:
ЕСО

Поскольку материал трется друг о друга, возникает трение, которое, в свою очередь, выделяет тепло. Лот тепла. Мол, много много. Представьте, как вы потираете руки со скоростью света! Материал в диске нагревается до миллионов градусов, и этот горячий материал яростно светится, излучая огромное количество света.

Это материал, который вы видите на изображении ^* Телескопа Горизонта Событий. Это обеспечивает фоновое свечение вокруг черной дыры. Но гравитация черной дыры искажает ее, искривляя путь, по которому идет свет. Свет от материала позади черной дыры изгибается вокруг ее, так что мы действительно можем это видеть! Чем ближе к черной дыре, тем больше она изгибается, пока прямо на очертаниях горизонта событий, если смотреть с Земли, больше не будет видно света. Вот почему эта часть выглядит темной.

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

Фото:
Николь Р. Фуллер/NSF

Но подождите! Есть больше!

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

Теперь снова посмотрите на изображение Телескопа Горизонта Событий. Видите, что материал в нижней части кольца ярче, чем материал наверху? Это из-за релятивистского излучения! Материал внизу направлен к нам и ярче, чем материал вверху, который направлен от нас. Это говорит нам, в каком направлении вращается аккреционный диск. Сама черная дыра тоже вращается в том же смысле, что и диск, так что это также говорит нам о том, что с нашей точки зрения черная дыра вращается по часовой стрелке.

Не буду вам врать: когда я впервые посмотрел на это изображение и понял, что вижу, волосы на затылке встали дыбом.

Восемь телескопов на Земле, которые составляют Телескоп Горизонта Событий. Предоставлено: Университет Аризоны / Дэн Мерроне

Фото:
Университет Аризоны / Дэн Мерроне

Технология, которая позволила астрономам создать это изображение, невероятна. Они использовали восемь различных телескопов, расположенных по всему миру — в Аризоне, Чили, Мексике, Испании, на Гавайях и в Антарктиде — для наблюдения за черной дырой M87. Эти телескопы не видят оптический свет, как наши глаза, но вместо этого чувствительны к свету в миллиметровом диапазоне длин волн, что ближе к радиоволнам, чем к оптическому свету. Эти миллиметровые волны распространяются со скоростью света (потому что они световые) и достигают телескопов в несколько разное время. Каждый телескоп тщательно наблюдает за этими волнами, и если вы объедините эту информацию, получится виртуальный телескоп размером с пространство между двумя обсерваториями.

Это называется интерферометрия . Когда вы объединяете волны, наблюдаемые в двух местах, они конструктивно и деструктивно мешают друг другу, создавая полосы. Это как плескаться в ванне; гребни волн иногда сливаются и разбрызгивают ванну, в то время как впадины объединяются, чтобы снизить уровень воды вокруг вас. Эти комбинации гребней и впадин и есть бахрома. В массиве интерферометрических телескопов вся информация, которую можно перевернуть, работает в обратном направлении, чтобы создать образ изображения, посылающего вам волны. Это очень сложная работа, и она проще на более длинных волнах, поэтому использовались телескопы миллиметрового диапазона (оптический свет имеет много, гораздо короче длина волны, поэтому оптическая интерферометрия намного сложнее).

Когда все это объединено, Телескоп Горизонта Событий действует как одна тарелка размером с нашу планету . Именно так он смог увидеть любую деталь в черной дыре M87. Несмотря на то, что он огромен, 40 миллиардов километров в поперечнике, он находится на расстоянии 55 миллионов световых лет, поэтому от Земли его размер составляет всего около четырех миллиардных градусов!

Ширина Луны в небе составляет полградуса, поэтому это изображение черной дыры эквивалентно до встречи с шариком на Луне . Или, точнее, черный шарик с обвязанной светящейся резинкой.

Это феноменальное достижение, поистине новая эра в астрономии. Мы наблюдали эффекты черных дыр на протяжении десятилетий: материал вращался вокруг них и сильно нагревался; лучи материи и энергии, вылетающие из них, когда смехотворно сильное магнитное поле в аккреционном диске отрывает материю и отбрасывает ее с огромной скоростью; и даже влияние сверхмассивной черной дыры нашей собственной галактики на звезды вокруг нее, наблюдая в реальном времени, как они вращаются вокруг нее с высокой скоростью.

А мы углубились в физику черных дыр благодаря уравнениям, разрабатываемым гениальными умами на протяжении многих десятилетий, узнавая, как они искажают пространство и время, что происходит вблизи горизонта событий, что происходит за его пределами, а иногда даже работая что происходит внутри.

Но мы впервые видим горизонт событий черной дыры. И дальше будет лучше; будет добавлено больше телескопов, чтобы получить лучшее разрешение, различные видимые длины волн будут выжимать больше информации из того, что мы видим, и, что еще круче, больше черных дыр, включая нашу в центре Млечного Пути, таким образом попадут под пристальное внимание. .

Черные дыры темны, но их будущее очень светлое.

^* Примечание. Телескоп Event Horizon также смотрел на черную дыру в центре нашей галактики, но создать ее изображение гораздо сложнее из-за ее шкала часов и дней. Черная дыра M87 более стабильна, поэтому ее легче изобразить. По причуде геометрии она примерно в 1600 раз больше «нашей» черной дыры, но примерно в 2000 раз дальше, поэтому с Земли она кажется примерно такого же размера, как наша.

Грунтовка Black Hole

Недавние открытия

EHT Исследование гигантской черной дыры Млечного Пути Поддерживается телескопами НАСА

Несколько телескопов, в том числе Chandra, наблюдали гигантскую черную дыру Млечного Пути одновременно с телескопом горизонта событий (EHT). Эти совместные усилия позволили понять, что происходит за пределами поля зрения EHT. Эти данные помогут астрономам лучше понять сложный процесс «аккреции», когда материал падает на черную дыру и внутрь нее. В частности, рентгеновские лучи от Чандры показывают горячий газ, который был унесен ветром из черной дыры, известной как Стрелец А*. Авторы и права: Рентген: NASA/CXC/SAO; ИК: NASA/HST/STScI. Врезка: Радио (коллаборация EHT) БОЛЬШЕ

«Чандра» делает рентгеновские снимки совместно с телескопом «Горизонт событий»

Телескоп «Горизонт событий» (EHT), сеть радиоантенн по всему земному шару, сделал первое изображение горизонт событий черной дыры. Эта черная дыра находится в галактике Мессье 87, или M87, на расстоянии около 60 миллионов световых лет от Земли.
Чандра много раз изучала M87 за свою 20-летнюю миссию и видит гораздо более широкое поле зрения, чем EHT. «+» отмечает место на изображении Chandra слева для местоположения изображения EHT справа (не в том же масштабе) Авторы и права: Слева: NASA/CXC/SAO; Справа: коллаборация Event Horizon Telescope. ПОДРОБНЕЕ

Стрелец A*

Одна из самых важных черных дыр для изучения — та, что находится в центре нашей галактики Млечный Путь. Эта черная дыра, известная как Стрелец A*, примерно в 4 миллиона раз превышает массу Солнца, и Чандра многое рассказала о ее поведении и истории. Оптические телескопы не могут видеть центр нашего Млечного Пути, который окутан густыми облаками пыли и газа в плоскости галактики. Однако горячий газ и заряженные частицы, движущиеся почти со скоростью света, производят рентгеновское излучение, проникающее сквозь эту пелену.

Всего через несколько месяцев после запуска «Чандра» сделала то, на что не был способен ни один другой оптический или рентгеновский спутник: отделить излучение от окружающего горячего газа и близлежащих компактных источников, которые не позволили другим спутникам обнаружить этот новый рентгеновский спутник. источник лучей. Данные Чандры о Стрельце А* и его окрестностях были названы астрономами «золотой жилой».

Чандра также измерила выход энергии и факел Стрельца А*. быстрота изменений в рентгеновском излучении указывает на то, что они происходят вблизи горизонта событий, или точки невозврата, вокруг черной дыры, а низкая интенсивность рентгеновских лучей предполагает, что Стрелец А* является голодающим черным отверстие.

Узнайте больше о Стрельце A*

Основы

Иллюстрация: ESO, ESA/Hubble, M.Kornmesser/N.Bartmann; Метки: NASA/CXC

Что такое черная дыра?
Когда у звезды закончится ядерное топливо, она разрушится. Если ядро или центральная область звезды имеет массу, превышающую массу трех Солнц, никакие известные ядерные силы не могут предотвратить образование ядром глубокой гравитационной деформации в пространстве, называемой черной дырой.

Черная дыра не имеет поверхности в обычном понимании этого слова. Существует просто область или граница в пространстве вокруг черной дыры, за которую мы не можем видеть. Эта граница называется горизонтом событий. Радиус горизонта событий (пропорциональный массе) очень мал, всего 30 километров для невращающейся черной дыры с массой в 10 Солнц.

Все, что выходит за горизонт событий, обречено на раздавливание по мере того, как все глубже погружается в гравитационный колодец черной дыры. Ни видимый свет, ни рентгеновские лучи, ни любая другая форма электромагнитного излучения, ни любая частица, какой бы энергичной она ни была, не может ускользнуть.

Анатомия сверхмассивной черной дыры:
Считается, что сверхмассивные черные дыры с массой в несколько миллионов звезд находятся в центре большинства крупных галактик. Доказательства исходят от оптических и радионаблюдений, которые показывают резкое увеличение скоростей звезд или газовых облаков, вращающихся вокруг центров галактик. Высокие орбитальные скорости означают, что что-то массивное создает мощное гравитационное поле, ускоряющее звезды. Рентгеновские наблюдения показывают, что большое количество энергии вырабатывается в центрах многих галактик, предположительно в результате падения вещества в черную дыру.

аккреционный диск Диск из газа и пыли, который может скапливаться вокруг центра гравитационного притяжения, такого как обычная звезда, белый карлик, нейтронная звезда или черная дыра. Когда газ закручивается по спирали из-за трения, он нагревается и излучает излучение.

горизонт событий Воображаемая сферическая поверхность, окружающая черную дыру, с радиусом, равным радиусу Шварцшильда, в пределах которого никакое событие не может быть замечено, услышано или известно стороннему наблюдателю.

сингулярность Точка во вселенной, где плотность материи и гравитационное поле бесконечны, как в центре черной дыры.

релятивистская струя Мощная струя излучения и частиц, движущаяся со скоростью, близкой к скорости света.

Подробнее в нашем полевом справочнике по черным дырам

Охотник за черными дырами

Благодаря своим уникальным свойствам Чандра не имеет себе равных, как зонд черной дыры — как вблизи, так и вдали. Чандра не может «заглянуть» в черные дыры, но может раскрыть многие их загадки. Используя Чандру, ученые нашли доказательства существования черных дыр среднего размера, обнаружили скрытые популяции и оценили количество черных дыр во Вселенной. Они изучили свои привычки в еде и то, как быстро они вращаются. Они нашли черную дыру, издававшую самую глубокую ноту, когда-либо обнаруженную во Вселенной, и еще одну, вызвавшую самый мощный взрыв. Они нашли прямое свидетельство существования звезды, которая была разорвана сверхмассивной черной дырой. Они наблюдали две сверхмассивные черные дыры, вращающиеся вокруг одной и той же галактики, которым суждено столкновение. Наблюдения Чандры убедительно подтвердили реальность «горизонта событий».

Некоторые открытия Чандры о сверхмассивных черных дырах были ожидаемыми, а другие неожиданными! Вот несколько основных моментов:

ОЖИДАЕТСЯ И ОБНАРУЖЕНО:
Тысячи сверхмассивных черных дыр. Эти черные дыры расположены в центрах галактик, и Чандра показал, что они демонстрируют широкий диапазон размеров и уровней взрывной активности. ЕЩЕ

НЕОЖИДАННО:
Обнаружение черной дыры в миллион раз массивнее Солнца в карликовой галактике со звездообразованием является убедительным признаком того, что сверхмассивные черные дыры могут образовываться быстрее, чем галактика, в которой они находятся. Это имеет значение для понимания образования галактик и черных дыр в ранней Вселенной. ЕЩЕ

НЕОЖИДАННО:
Исследование девяти галактик, проведенное «Чандрой», показывает, что большая часть энергии, высвобождаемой материей, падает на сверхмассивные черные дыры.
в этих галактиках имеет форму высокоэнергетических струй, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, от черной дыры. ПОДРОБНЕЕ

НЕОЖИДАННО:
Снимки Chandra показали, что во многих галактиках есть струи высокоэнергетических частиц, которые простираются до внешних пределов галактики и влияют на появление и эволюцию этих галактик. Эти джеты генерируются материей, падающей на сверхмассивные черные дыры в центрах галактик. ЕЩЕ

Ожидайте новых поразительных откровений о жизни черных дыр, поскольку Chandra продолжает свою миссию по исследованию нашей Вселенной.

Активная галактика NGC 1275 также является хорошо известным источником радиоизлучения (Персей А) и сильным излучателем рентгеновских лучей из-за наличия черной дыры в центре галактики. Бегемот также находится в центре скопления галактик, известного как скопление Персея. БОЛЬШЕ

Галактики могут сливаться, и при этом могут сталкиваться сверхмассивные черные дыры в их центрах. Так обстоит дело с NGC 6240, где Чандра находит две гигантские черные дыры — яркие точечные источники в середине изображения — удалены друг от друга всего на 3000 световых лет. ЕЩЕ

Галактика Центавр A хорошо известна эффектной струей вытекающего вещества (на этом изображении Чандры она направлена из середины в верхний левый угол), которая создается гигантской черной дырой в центре галактики. Чандра также раскрыла информацию о черных дырах меньшего размера по всему Центавру А. ЕЩЕ

Вопросы и ответы

Как образуются черные дыры? Как правило, черные дыры образуются всякий раз, когда достаточное количество материи сжимается в достаточно маленьком пространстве. Чтобы превратить Землю в черную дыру, нам пришлось бы сжать всю ее массу в область размером с шарик! Черные дыры звездной массы образуются, когда у массивной звезды (более чем в 25 раз превышающей массу нашего Солнца) заканчивается топливо и ее ядро схлопывается. Образование сверхмассивных черных дыр более загадочно. Они могут быть созданы, когда черные дыры звездной массы сливаются и поглощают материю вокруг себя, или в результате коллапса гигантских облаков пыли и газа.

Могут ли рентгеновские телескопы увидеть черную дыру? Никакой свет любого вида, включая рентгеновские лучи, не может выйти из-под горизонта событий черной дыры. Рентгеновские лучи, которые Чандра наблюдает вблизи черных дыр, исходят от материи, близкой к горизонту событий черных дыр. Материя нагревается до миллионов градусов, когда ее притягивает к черной дыре, поэтому она светится в рентгеновских лучах.

Как с помощью Чандры найти черные дыры, если вы их не видите? Поиск черных дыр — дело непростое. Один из способов обнаружения черных дыр — поиск рентгеновского излучения диска горячего газа, вращающегося в сторону черной дыры. Трение между частицами в диске нагревает их до многих миллионов градусов, и они испускают рентгеновские лучи. Такие диски были обнаружены в двойных звездных системах, состоящих из нормальной звезды на близкой орбите вокруг черной дыры звездной массы и, в гораздо большем масштабе, вокруг сверхмассивных черных дыр в центрах галактик.

Что происходит с объектами, когда они подходят слишком близко к черной дыре? Объекты могут вращаться вокруг черной дыры без каких-либо серьезных последствий до тех пор, пока размер их орбиты намного превышает диаметр горизонта событий черной дыры, который составляет около 30 километров для звездной черной дыры и многие миллионы километров. для сверхмассивной черной дыры. Но если какой-либо объект подойдет слишком близко, его орбита станет нестабильной, и объект упадет в черную дыру.

Все ли вещество в диске вокруг черной дыры обречено упасть в черную дыру? Нет, иногда газ будет выходить горячим ветром, который сдувается с диска на высоких скоростях. Еще более драматичны высокоэнергетические струи, которые, как показывают рентгеновские и радионаблюдения, взрываются вдали от некоторых сверхмассивных черных дыр. Эти джеты могут двигаться почти со скоростью света в узких лучах и преодолевать расстояния в сотни тысяч световых лет.

Растут ли черные дыры, когда в них падает материя? 901:30 Да, масса черной дыры увеличивается на количество захваченной массы. Для черной дыры звездной массы радиус горизонта событий увеличивается примерно на 3 километра на каждую захваченную солнечную массу.

Существуют ли пределы роста черной дыры? Теоретически черные дыры могут расти без ограничений. Однако во Вселенной черные дыры не имеют бесконечного запаса пищи! Рано или поздно они поглотят всю материю в пределах своей гравитационной досягаемости. На материю дальше может воздействовать гравитационное поле черной дыры, как на нас на Земле воздействует массивная черная дыра в центре Млечного Пути, но она не упадет за ее горизонт событий.

Может ли материя вернуться из черной дыры? Нет, даже если бы материя могла двигаться со скоростью света, она не могла бы убежать, когда упадет за горизонт событий. Это связано с тем, что гравитационное поле внутри черной дыры настолько сильное, что пространство искривляется само по себе. Все, что падает в черную дыру, может двигаться только в одном направлении — к сингулярности (точке бесконечной плотности, где законы физики, какими мы их знаем, нарушаются) в центре. Стивен Хокинг показал, что квантовая теория подразумевает, что черные дыры должны излучать излучение. Прогнозируется, что это излучение будет чрезвычайно слабым и необнаружимым, за исключением гипотетических черных дыр с массой меньше массы кометы, и их еще предстоит наблюдать.

Дополнительные вопросы и ответы о черных дырах http://chandra.si.edu/resources/faq/black_hole/bhole-main.html

Подкасты Chandra

о черных дырах

Правда и ложь о черных дырах

Black Holes: Tall, Grande, Venti

Достаточно двух цифр

Другие модули — http://chandra.si.edu/resources/podcasts/by_category_bh.html M87: Chandra захватывает рентгеновские лучи в координации с EHT

Black Hole Primer with Chandra

Попробуйте задание

Paper Circuits: Blackhole edition (дополнительная информация)

Pixel Battleship: простая визуализация с помощью M87 (дополнительная информация)

Опубликовано: апрель 2016 г.

Интересные факты о черных дырах

Весной 2019 года фото черной дыры (точнее, ее «силуэта») облетело интернет. Пресс-конференция, на которой были представлены результаты научного открытия, прошла сразу в шести городах — от Вашингтона до Брюсселя и Токио. Давайте разберемся, что такое черные дыры, что может случиться с человеком внутри одной из них, откуда они берутся и почему эти загадочные объекты десятилетиями будоражат наше воображение.

«Космический тупик»

Черная дыра — это область пространства-времени, имеющая такое сильное гравитационное притяжение, что никакие частицы или электромагнитное излучение не могут выйти из нее. Граница этой области называется горизонтом событий .

Компьютерная анимация черной дыры с аккреционным диском, созданная специалистами НАСА. Источник: НАСА

С точки зрения астрофизики черные дыры являются завершающей стадией эволюции звезд. Астрофизические черные дыры — это небольшие, но очень массивные космические объекты, которые вообще не излучают свет или другие электромагнитные волны. Например, черная дыра в далекой галактике М87, которую удалось зарегистрировать ученым, имеет размеры, сравнимые с нашей Солнечной системой. Он в 6,5 миллиардов раз тяжелее Солнца. По этому показателю ученые различают черные дыры звездной массы, промежуточной массы и сверхмассивные черные дыры.

Как образуются и исчезают черные дыры

Черные дыры звездных масс — завершающая стадия эволюции массивных звезд. После исчерпания водородно-гелиевого «горючего» в центре такого светила оно начинает сжиматься, так как внутреннее давление, создаваемое выделением энергии при термоядерных реакциях, уже не может поддерживать стационарное состояние звезды, и под собственным под действием гравитации она быстро коллапсирует в массивный неизлучающий объект, который мы можем наблюдать, например, в тесной двойной системе благодаря аккреционному диску, образованному «потоком» на него вещества звезды-компаньона.

Изображение черной дыры в центре галактики M87 в поляризованном свете. Источник: EHT Collaboration

Сверхмассивные черные дыры образуются в результате слияния менее массивных черных дыр, расположенных в центрах галактик. Этот процесс предполагает, что масса получившегося объекта будет примерно равна сумме масс его «предшественников». Такие объекты также могут образовываться при слиянии массивных звезд в звездные скопления.

Горизонт событий излучает энергию. За счет квантового воздействия на него возникают потоки частиц, которые вырываются в окружающее пространство. Это явление называется «излучение Хокинга» — в честь британского физика-теоретика Стивена Хокинга, который первым его описал. Несмотря на то, что материя не может уйти за горизонт событий, черная дыра постепенно «испаряется» за счет этого излучения. В конце концов, он потеряет свой вес и исчезнет.

Внутри черной дыры

Ученые не знают, что ждет человека, упавшего за горизонт событий. Будет ли он или она поглощены черной дырой, или он или она будут просто разорваны приливными силами? Или он или она найдет там заднюю стенку книжного шкафа, как мы видели в американском фантастическом фильме Interstellar ?

В статье, ставшей самой читаемой в 2015 году, корреспондент BBC Earth Аманда Гефтер предсказывает, что к тому времени, когда человек достигнет горизонта событий, реальность разделится надвое. В одной реальности он или она будет мгновенно испепелен, в другой он или она нырнет в черную дыру живым и невредимым.

Дело в том, что по физическим принципам никакая среда (т.е. любое физическое тело, в том числе и человеческое) не способна пересечь горизонт событий и должна оставаться вне его, иначе вся доступная информация будет потеряна для нашего мира. С другой стороны, законы физики также требуют, чтобы человек или любое другое тело пролетели над горизонтом живым и невредимым, не встретив на своем пути никаких необычных опасных явлений. В противном случае общая теория относительности будет нарушена.

Ученые называют это парадоксальное сочетание «парадоксом исчезновения информации в черной дыре». Американский физик Леонард Сасскинд понял, что парадокса не существует — просто два состояния человека объясняются с точки зрения впечатлений тех, кто упал в черную дыру, и тех, кто наблюдает за процессом. Эти два человека больше никогда не встретятся и не смогут сравнить свои наблюдения. Поэтому физические законы не нарушаются.

Бесконечно искаженное время и пространство

По мере того, как вы продвигаетесь глубже в черную дыру, пространство-время продолжает искривляться и становится бесконечно искривленным в ее центре. Эта точка известна как гравитационная сингулярность. Строго говоря, сами понятия «пространство» и «время» в нем перестают иметь какое-либо значение, поэтому все известные законы физики уже не применимы для описания этих двух понятий.

Сверхмассивная черная дыра из фильма Interstellar

Кип Торн, научный руководитель знаменитого фильма Кристофера Нолана и автор The Science of Interstellar , сравнивает кривизну пространства с муравьем на батуте. Представьте себе анта (человека), который живет на детском батуте (Вселенная), в середине которого лежит очень тяжелый камень. Как поверхность батута прогибается под тяжестью этого камня, так и пространство нашей вселенной вокруг массивного объекта.