Содержание
Горизонт событий: первое в истории изображение черной дыры в центре нашей галактики
Изображение черной дыры Стрелец A*, полученное с помощью Телескопа горизонта событий
Что мы знаем о черной дыре?
Астрономы увидели центр галактики Млечный Путь и сделали снимок сверхмассивной черной дыры под названием Стрелец A*, которая находится в 26 тысячах световых лет от Земли. Международная группа исследователей опубликовала снимок 12 мая.
Впервые о существовании черной дыры ученые узнали в конце прошлого века с помощью отслеживания движения звезд вблизи нее. За это в 2020 году была вручена Нобелевская премия по физике.
После этого астрономы получили новые доказательства того, что в центре Млечного Пути находится черная дыра с массой 4,29 миллиона масс Солнца. Радиус горизонта событий для объекта такой массы составляет около 6 миллионов километров.
Как удалось получить изображение черной дыры?
Черные дыры по определению невидимы — свет не может двигаться достаточно быстро, чтобы вырваться из нее, но в данном случаем объект удалось обнаружить в виде черной тени, окруженной ярким свечением газа и обломков, которые крутятся по ее периметру.
За черной дырой следили с помощью восьми радиотарелок, которые могут проникать сквозь газовые облака в космическом пространстве и с помощью Телескопа горизонта событий (EHT) удалось получить первое в истории изображение тени сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути.
Наблюдения велись с 2017 году и на их обработку ушло 5 лет, потому что яркость и структура газа вокруг Стрельца А* во время наблюдений менялась крайне быстро. Сейчас у астрономов появилось окончательное доказательство существования массивного объекта в центре нашей галактики.
Ранее любое изображение черной дыры было художественной интерпретацией или компьютерной моделью искривления пространства-времени. На данной фотографии мы видим область в глубоком космосе, которая напоминает солнечное затмение — круг, окутанный сияющим красно-оранжевым светом. Изображение было раскрашено так, чтобы человеческий глаз мог его воспринимать.
Другие галактики
Сравнение размеров двух черных дыр: M87 и Стрелец A*.
Изображение Стрельца А* — это второй случай, когда ученым удалось увидеть черную дыру. Первая фотография была сделана в апреле 2019 года и демонстрирует черную дыру в центре галактики Мессье 87.
Из-за размера сфотографировать ее было легче, даже несмотря на то, что она находится намного дальше, примерно в 53 миллионах световых лет. Изображение удалось получить при помощи атомных часов, суперкомпьютеров и синхронизации работы телескопов на разных континентах.
Мнение научного сообщества
Профессор астрономии и физики Ферьял Озель из Аризонского университета заявляет, что второе фото служит убедительным подтверждением научному сообществу и говорит о том, что это не был какой-то аспект окружающей среды, который просто оказался похожим на кольцо.
«Теперь мы знаем, что в обоих случаях мы видим то, что является сердцем черной дыры, точкой невозврата. Эти два изображения кажутся похожими, потому что они являются следствием фундаментальных сил гравитации».
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
|
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.
координаты Риндлера).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.
Три года назад мы получили первое в истории изображение гигантской черной дыры, подтверждающее величайшую теорию Эйнштейна.
.
Когда 10 апреля 2019 года команда Event Horizon Telescope (EHT) опубликовала первое в истории изображение черной дыры, в фокус попала сверхмассивная черная дыра массой 6,5 миллиона масс Солнца. На картинке, кропотливо созданной 200 исследователями с восьми телескопов, проводивших четыре ночи исследований, чтобы захватить шесть петабайт (1 миллион гигабайт), мы видим светящееся кольцо и резкую тень, обозначающую грань невозврата. За этим порогом, известным как горизонт событий, черная дыра создает темную область в космосе, где даже свет не может вырваться из ее хватки.
Черная дыра Млечного Пути будет следующей. Но увидеть будет сложнее.
10 апреля 2019 года коллаборация Event Horizon Telescope опубликовала первое в истории изображение черной дыры. Она находится в центре галактики, расположенной в 55 миллионах световых лет от Земли. Сотрудничество с Event Horizon Telescope
Больше, чем красивая картинка
Изображение черной дыры, безусловно, стоит тысячи слов.
Во-первых, это дорого. Это научное достижение возможно только при превращении всей планеты в один массивный телескоп.
Чтобы сделать изображение 2019 года, EHT собрал сигналы восьми наземных радиотелескопов по всему миру, а затем синтезировал эти данные для создания изображения. Этот земной масштаб необходим, потому что, хотя черные дыры пугающе мощные и массивные, физически они очень малы. Чем больше телескоп, тем меньше объект, который могут наблюдать ученые.
Карл Шварцшильд использовал общую теорию относительности Альберта Эйнштейна для теории черных дыр в 1916 году, идею, которую Эйнштейн отверг. В то время как общая теория относительности может быть использована для концептуализации черных дыр, EHT впервые подтвердил существование горизонта событий и может позволить нам внести коррективы в теорию.
«Общая теория относительности Эйнштейна в какой-то момент нуждается в модификации», — говорит Inverse Казунори Акияма, сотрудник EHT и астрофизик из обсерватории Хейстек Массачусетского технологического института.
« На самом деле это миссия современной физики».
«Изображения черных дыр на самом деле дают прекрасную возможность проверить, насколько точно работает общая теория относительности, и в то же время, какая модифицированная общая теория относительности может объяснить эти изображения», — добавляет он.
Пока Эйнштейн прав.
«Удивительно видеть это — видеть, что этот эффект действительно такой, как мы ожидали, — говорит Сара Иссаун, сотрудник EHT и научный сотрудник NASA Einstein в Гарвардском и Смитсоновском центре астрофизики, Inverse .
Исаак Ньютон разработал концепцию гравитации за столетия до Эйнштейна. Но последний разработал математическую теорию, предполагающую, что теории Ньютона не работают так же хорошо в космических масштабах.
Черная дыра может аналогичным образом найти области общей теории относительности Эйнштейна, которые нуждаются в уточнении, наблюдая за «самой экстремальной лабораторией гравитации», обнаруженной на горизонте событий черной дыры, говорит Иссаун.
На данный момент получено изображение только одной черной дыры. Но по мере того, как все больше черных дыр получают снимки в голову, исследователи EHT надеются продолжать «осторожно» идти по стопам этих научных гигантов, в том числе изучая ближайшую к Земле сверхмассивную черную дыру.
Инфографика о черных дырах. ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser/N. Бартманн
История двух черных дыр
Снять изображение центральной черной дыры Млечного Пути, называемой Стрельцом А* (Стрелец А*), будет сложно, потому что вместо того, чтобы смотреть наружу, мы смотрим внутрь .
На изображении 2019 года виден яркий газ, вращающийся по часовой стрелке вокруг гигантской черной дыры, расположенной в центре галактики Мессье 87 (M87), расположенной в 55 миллионах световых лет от Земли. EHT сделал два его снимка. Второе изображение дополнило то, что было известно из первого изображения, и помогло ученым лучше понять колоссальную струю плазмы, извергаемую сверхмассивной черной дырой, поток, простирающийся за пределы самой галактики.
EHT сначала нацелился на далекую черную дыру, потому что увидеть Sgr A* сложнее, сказал Акияма. 9Например, 0005
Sgr A* значительно меньше, чем у M87. Вещество на краю обеих черных дыр движется со скоростью, близкой к скорости света, но веществу, плещущемуся вокруг центра Sgr A*, требуется меньше времени, чтобы совершить оборот. Это приводит к тому, что внешний вид этого светящегося газа меняется чаще, что затрудняет его изображение. Расстояние M87 от Земли в несколько миллионов световых лет делает его относительно стабильным объектом в ночном небе.
Мы можем смотреть только на Sgr A*. Ученые думают, что знают, как объяснить большое количество ионизированного газа в нашей галактике, отделяющего Землю от черной дыры, но этот материал все еще усложняет процесс визуализации.
Захватывающее будущее для EHT
Узнав о второй черной дыре, команда EHT может увидеть, где черные дыры перекрываются по качеству, а также чем они отличаются.
Первое изображение Sgr A* может быть готово уже в этом году, сказал Иссаун.
Кэти Боуман, сотрудник EHT и профессор компьютерных и математических наук Калифорнийского технологического института, также взволнована.
«Что касается результатов Sgr A*, мы надеемся вскоре опубликовать наш анализ данных», — сказала она Обратный по электронной почте. «Следите за обновлениями!»
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 ни одна частица 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.