Содержание
Впервые обнаружен свет, вышедший из-за черной дыры
29 июля 2021
13:30
Наталия Теряева
Световое эхо от черной дыры.
Иллюстрация ESA.
Астрономы впервые зарегистрировали излучение, исходящее от черной дыры, которая потому и черная, что не выпускает никакой свет наружу.
Астрофизик Стэнфордского университета Дэн Уилкинс (Dan Wilkins) наблюдал за рентгеновскими лучами, которые исходят от черной дыры. Она расположена в центре галактики I Zwicky 1, находящейся на расстоянии 800 миллионов световых лет от нас. Изучаемая Уилкинсом сверхмассивная черная дыра в 10 миллионов раз «тяжелее» Солнца.
Ученый заметил, что яркие рентгеновские вспышки не просто порождались чёрной дырой, но и отражались от газа, который втягивает в себя властительница космоса.
По мере того как первоначальные вспышки затухали, рентгеновские телескопы (XMM-Newton ЕКА и NuSTAR НАСА) улавливали всё более слабые вспышки. Уилкинс очень удивился и решил тщательно разобраться в «увиденном».
«Любой свет, попадающий в эту черную дыру, не выходит [во внешнее пространство], поэтому мы не должны видеть ничего, что находится за черной дырой, – объясняет Уилкинс. – Однако мы смогли это увидеть по той причине, что черная дыра искривляет пространство, закручивает вокруг себя магнитные поля и изменяет путь света».
Открытие светового эха стало первым прямым наблюдением излучения, исходящего из-за черной дыры, и первым прямым подтверждением предсказания общей теорией относительности Эйнштейна. Великий ученый предполагал, как ведут себя магнитные поля в непосредственной близости от черных дыр, а также что они изменяют траектории света. Теперь же человечество оказалось технически готовым к непосредственной регистрации подобного феномена.
Открытое Уилкинсом явление подробно описано в статье, опубликованной журналом Nature.
«Пятьдесят лет назад, когда астрофизики начали размышлять о том, как магнитное поле может вести себя вблизи черной дыры, они понятия не имели, что однажды у нас могут появиться методы, чтобы наблюдать это напрямую и увидеть общую теорию относительности Эйнштейна в действии», – говорит Роджер Блэндфорд (Roger Blandford), соавтор статьи из Стэнфордского университета.
Открытие началось с изучения так называемой «короны» черной дыры. Корона и есть источник яркого рентгеновского излучения. Астрономы считают, что корону создает газ, который непрерывно втягивает в себя черная дыра. Корона выглядит как вращающийся вихрь (подобно вихрю воды, вытекающему из отверстия в ванне в канализацию).
Этот газовый вихрь разогревается до миллионов градусов и генерирует магнитные поля, которые скручиваются в узлы вращающейся черной дырой. При такой температуре электроны отделяются от атомов, создавая намагниченную плазму.
Когда магнитные поля искривляются мощной гравитацией черной дыры, они в конечном итоге «ломаются», высвобождая запасенную энергию и производят электроны высокой энергии. Последние и становятся источником рентгеновского излучения.
Картина очень напоминает то, что происходит вокруг нашего Солнца, поэтому «вихрь» близ черной дыры и назвали короной.
Как выяснили учёные, часть излучения яркой вспышки рентгеновских лучей черной дыры I Zwicky 1 падала на газовый диск ее короны. Рентгеновские лучи, которые отражались от газа позади черной дыры, огибали её, и эти более слабые вспышки попадали в телескопы с задержкой. Наблюдения отражений (или эха) совпадают с предсказаниями Эйнштейна о том, как гравитация искривляет траектории излучения вокруг черных дыр.
Отраженные короной рентгеновские лучи имеют определенные «цвета» (длины волн). По мере того как рентгеновские лучи проходят вокруг черной дыры, их «цвета» слегка меняются.
Поскольку полученные астрономами рентгеновские эхо-сигналы имеют разные «цвета» и поступили в разное время (в зависимости от того, от какой части короны они отражаются), они дают много информации о происходящем вокруг черной дыры.
Астрономы хотят в дальнейшем использовать это для создания трехмерной карты окрестностей черной дыры. Также ученым предстоит разобраться, как корона производит столь яркие рентгеновские вспышки.
Изучение удивительной короны черной дыры ученые продолжат при помощи рентгеновской обсерватории Европейского космического агентства «Афина». Её отправка в космос запланирована на 2031 год.
Ранее мы рассказывали о том, как невероятно прожорливая чёрная дыра стала самым далёким радиомаяком во Вселенной. Также астрономы не так давно разглядели заграждение у края чёрной дыры. А еще мы писали о том, как искусственная чёрная дыра помогла визуализировать искривление траекторий света.
Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».
наука
астрономия
Альберт Эйнштейн
черная дыра
общество
новости
Ранее по теме
Обнаружена ближайшая к Земле черная дыра
Астрономы впервые нашли чёрную дыру-невидимку вне Галактики
Новая веха в радиоастрономии: учёные «сфотографировали» главную чёрную дыру Млечного Пути
Российские учёные открыли самую тесную двойную чёрную дыру
Гигантские пузыри в центре Галактики созданы сверхмассивной чёрной дырой
Первая в своём роде: астрономы нашли первую чёрную дыру, блуждающую по Галактике
Что такое излучение Хокинга? | New-Science.
ru
Излучение Хокинга — это тепловое излучение, спонтанно испускаемое черными дырами из-за квантовых эффектов вблизи их горизонта событий. Постепенно уменьшается энергия вращения и масса черных дыр. Тем не менее это просто теория; такого излучения еще не наблюдалось.
В 1974 году Стивен Хокинг потряс мир физики, показав, что черные дыры могут испускать субатомные частицы, пока они не исчерпают свою энергию и не испарятся полностью.
До этого черные дыры, как правило, считались идеальными черными объектами, из которых никакие частицы и излучение не могут вырваться. Однако статья Хокинга под названием «Создание частиц черными дырами» (опубликованная в 1975 году) дала совершенно новую перспективу для изучения черных дыр.
Что такое излучение Хокинга? (Объясняется простыми словами)
Принимая во внимание квантовую теорию поля, Стивен Хокинг показал, что черные дыры испускают излучение, известное как излучение Хокинга, вблизи своего горизонта событий.
С точки зрения непрофессионалов, излучение Хокинга — это тепловое излучение, которое спонтанно испускается черными дырами. Оно постепенно уменьшает энергию вращения и массу черных дыр. Таким образом, неактивные черные дыры (не потребляющие вещества), как ожидается, уменьшатся и в конце концов исчезнут. Этот процесс также называется испарением чёрных дыр.
Излучение Хокинга было спорным открытием, но к концу 1970-х годов оно было широко признано как крупный прорыв в теоретической физике.
Небольшое отступление
В начале 1970-х годов исследования, проведенные Джеймсом Бардином, Стивеном Хокингом и другими физиками, привели к формулировке термодинамики черной дыры, в которой можно исследовать поведение черной дыры, связывая площадь с энтропией, массу с энергией и поверхностную гравитацию с температурой.
Хокинг, используя много математики, объединил идеи как из теории относительности Эйнштейна, так и из квантовой механики. В то время как теория относительности описывает гравитацию в областях большого масштаба и большой массы (галактики, звезды), квантовая механика фокусируется на невесомости в областях малого масштаба и малой массы (молекулы, атомы).
Ученые десятилетиями пытались объединить эти две основные теории: они пытались разработать теорию всего, что могло бы полностью объяснить и связать воедино все физические аспекты вселенной.
Оказывается, обе теории вступают в игру на горизонте событий «черной дыры» — границе, за которой ничто не может уйти (даже свет).
Стивен Хокинг использовал квантовую теорию поля, чтобы показать, что черные дыры должны излучать как черное тело. И подобно многим другим объектам в нашей Вселенной, черные дыры сжимаются и умирают. Его расчеты показали, что как вращающиеся, так и невращающиеся черные дыры испускают излучение. Он даже превратил свои находки в небольшой совет:
«Если ты чувствуешь, что находишься в черной дыре, не сдавайся. Здесь есть выход».- Стивен Хокинг на публичной лекции в Стокгольме, Швеция.
Как работает излучение Хокинга?
Согласно квантово-механической теории, частицы и их аналоги (античастицы) постоянно появляются и исчезают во всей Вселенной.
Эти пары частица-античастица также создаются рядом с горизонтом событий черной дыры, и они быстро уничтожают друг друга. Однако одна частица может упасть в черную дыру до того, как может произойти ее уничтожение, и в этом случае другая частица (ее аналог) ускользнет под действием излучения Хокинга.
Излучение Хокинга как пар частиц генерируется вблизи черной дыры
Это означает, что излучение Хокинга не исходит непосредственно от самой черной дыры, а является результатом того, что виртуальные частицы «поднимаются» под действием интенсивного гравитационного притяжения черной дыры, превращаясь в настоящие частицы.
Частица, упавшая в черную дыру, должна была иметь отрицательную энергию, в то время как ее двойник должен был иметь положительную энергию (по отношению к внешнему наблюдателю). Таким образом, получается, что черная дыра только что выпустила частицу, потеряв свою массу.
Энергия извне горизонта событий производит излучение, что означает, что черная дыра должна терять массу, чтобы компенсировать
Это явление также можно рассматривать как эффект квантового туннелирования, в котором пара (частицы и античастица) образуется из вакуума и одного из парных туннелей за пределами горизонта событий.
Информационный парадокс черной дыры
Основное различие между тепловым излучением, испускаемым черным телом, и излучением черной дыры (по оценке Хокинга) заключается в том, что первое является статистическим по своей природе.
Тепловое излучение несет информацию о теле своего источника, тогда как излучение Хокинга, по-видимому, не несет такой информации: оно зависит исключительно от массы, заряда и углового момента черной дыры.
Так что же происходит с веществом, поглощенным черными дырами? Согласно нашему пониманию общей теории относительности, информация уничтожается. Но если бы это было так, то это нарушило бы законы квантовой механики.
Эта головоломка называется информационным парадоксом черной дыры.
В 2015 году Стивен Хокинг представил идею о том, как этот парадокс может быть решен. Он предположил, что информация на самом деле хранится не внутри черной дыры, а на ее границе – горизонте событий.
Информация хранится в виде суперпереводов, голограммы входящих частиц.
Это выпущено в квантовых колебаниях, которые создают черные дыры, хотя в бесполезной, хаотической форме.
Излучение Хокинга — медленный процесс
Температура излучения Хокинга обратно пропорциональна массе черной дыры. Поэтому более мелкие черные дыры испускают больше излучения и рассеиваются быстрее, чем более крупные.
Расчеты показывают, что для испарения черной дыры с одной массой Солнца потребуется 10 67 лет; сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути потребует 10 87 лет, а еще более массивные во Вселенной могут занять 10 100 лет.
Экспериментальные наблюдения
В 2008 году НАСА запустило космическую обсерваторию под названием Fermi Gamma-ray Space Telescope, которая в настоящее время ищет испаряющиеся первичные микро-черные дыры из их предполагаемого излучения Хокинга.
Ученые считают, что микро-черные дыры могут быть экспериментально созданы в искусственной среде на Большом адронном коллайдере ЦЕРНа. В случае успеха они могут наблюдать испарение черной дыры, а также подтвердить некоторые теоретические предсказания теории суперструн относительно гравитации.
Что такое излучение Хокинга? : ScienceAlert
(dottedhippo/istock/Getty Images)
Излучение Хокинга описывает гипотетические частицы, образованные границей черной дыры. Это излучение означает, что температура черных дыр обратно пропорциональна их массе.
Иными словами, чем меньше черная дыра, тем горячее она должна светиться.
Хотя оно никогда не наблюдалось напрямую, излучение Хокинга является предсказанием, поддерживаемым комбинированными моделями общей теории относительности и квантовой механики. Он назван в честь выдающегося физика Стивена Хокинга, который в 1974 опубликовал статью под названием Взрывы черных дыр? доказывают их существование.
Если доказать, что излучение Хокинга соответствует действительности, это будет означать, что черные дыры могут излучать энергию и, следовательно, уменьшаться в размерах, при этом мельчайшие из этих безумно плотных объектов быстро взрываются в потоке тепла (а самые большие медленно испаряются в течение триллионов лет в холодный ветерок).
Почему черные дыры должны светиться?
Всякий раз, когда материя попадает в черную дыру, она надежно блокируется от остальной части Вселенной. Это также устраняет некоторую степень беспорядка; характерный для физиков термин энтропия .
Поскольку это удаление материи делает Вселенную менее беспорядочной, считалось, что это нарушает второй закон термодинамики.
Студент-физик из Принстона в США по имени Джейкоб Бекенштейн указал, что граница, окружающая пространство, наиболее подверженное безумной гравитации черной дыры — «поверхность», называемая горизонтом событий , — должна увеличиваться в площади всякий раз, когда на нее падает материя.
Он показал, как эта площадь представляет собой меру энтропии, которая в противном случае была бы потеряна, предположение, которое должно разрешить парадокс.
Хокинг не был так уверен. Энтропия — это еще один способ описания тепловой энергии, которая обязательно испускает излучение.
Если у горизонта событий есть энтропия, он должен каким-то образом светиться, а это означает, что черные дыры в конце концов не будут такими черными.
Пытаясь опровергнуть кажущееся абсурдным предположение Бекенштейна, Хокинг обсудил его с другими физиками и попытался с помощью математических моделей показать, что это невозможно.
Вместо этого он обнаружил, что черные дыры действительно излучают холодный свет.
Как черные дыры производят излучение Хокинга?
Физический процесс, стоящий за испусканием частиц вблизи горизонта событий черной дыры, довольно сложен и зависит от твердого понимания математики квантовой теории поля.
Это обычно описывается как результат того, что двойные «виртуальные» частицы, естественным образом возникающие из вакуума, разделяются под действием гравитации. Обычно они рекомбинируют и компенсируются, но в этом случае расщепление оставляет половину каждой пары улетучивающейся в виде фактического излучения.
На самом деле, собственное популярное объяснение математики Хокинга описывает мимолетные виртуальные частицы, на которые воздействует экстремальная гравитация, причем половина пары удаляет массу из черной дыры благодаря экстремальной гравитации, обеспечивающей частице отрицательную энергию.
Другие физики считают, что это «локализованное» описание частиц, расщепляющихся по воображаемой линии, слегка вводит в заблуждение.
В то время как нам понадобилась бы полная теория роли гравитации в квантовой механике, чтобы правильно отобразить это взаимодействие, выводы Хокинга показывают, как искривленное пространство может нарушить сочетание квантовых свойств в полях вблизи горизонта событий до такой степени, что черные дыры разбросать некоторые черты, оставив другие нетронутыми. Именно эти нетронутые свойства напоминают определенные температуры излучения и могут вызывать сжатие черной дыры.
Все тематические статьи проверяются специалистами по проверке фактов на предмет правильности и актуальности на момент публикации. Текст и изображения могут быть изменены, удалены или добавлены по решению редакции для обеспечения актуальности информации.
Да, Стивен Хокинг солгал нам все о том, как распадаются черные дыры
Хотя он… [+] внес огромный вклад в науку, его Аналогия с распадом черных дыр способствовала появлению целого поколения дезинформированных физиков, студентов-физиков и энтузиастов физики.AP Photo / Ted S. Warren
Величайшая идея научной карьеры Стивена Хокинга действительно произвела революцию в наших представлениях о черных дырах. В конце концов, они не совсем черные, и именно Хокинг первым понял и предсказал излучение, которое они должны излучать: излучение Хокинга. Он получил результат в 1974 году, и это одна из самых глубоких связей между мирами квантов и нашей теорией гравитации, общей теорией относительности Эйнштейна.
И все же в своей знаменательной книге 1988 года «Краткая история времени» Хокинг рисует картину этого излучения — спонтанно созданных пар частица-античастица, где один член попадает, а другой ускользает — это вопиюще неверно. В течение 32 лет он дезинформировал студентов-физиков, неспециалистов и даже профессионалов.
Черные дыры действительно распадаются. Давайте сделаем сегодня день, когда мы узнаем, как они на самом деле это делают.
Сотрудничество с Event Horizon Telescope и др.
Хокинг хотел, чтобы мы представили относительно простую картину. Начнем с черной дыры: области пространства, в которой так много массы сконцентрировано в таком маленьком объеме, что из нее не может выйти даже свет. Все, что отваживается подойти к ней слишком близко, неизбежно будет втянуто в центральную сингулярность с границей между областями, из которых можно выйти, и областями, из которых невозможно выйти, известными как горизонт событий.
Теперь добавим квантовую физику. Пространство на фундаментальном уровне никогда не может быть полностью пустым. Вместо этого существуют сущности, присущие ткани самой Вселенной — квантовые поля — которые всегда вездесущи. И, как и всем квантовым объектам, им присущи неопределенности: энергия каждого поля в любом месте будет колебаться со временем. Эти флуктуации поля вполне реальны и происходят даже в отсутствие каких-либо частиц.
Дерек Б. Лейнвебер
В контексте квантовой теории поля наименьшее энергетическое состояние квантового поля соответствует отсутствию существующих частиц. Но возбужденные состояния или состояния, соответствующие более высоким энергиям, соответствуют либо частицам, либо античастицам. Одна из широко используемых визуализаций состоит в том, чтобы думать о пустом пространстве как о действительно пустом, но населенном парами частица-античастица (из-за законов сохранения), которые ненадолго возникают, только чтобы через короткое время аннигилировать обратно в вакуум небытия.
Именно здесь в игру вступает знаменитая картина Хокинга — его совершенно неверная картина. Он утверждает, что повсюду в космосе появляются и исчезают эти пары частица-античастица. Внутри черной дыры оба члена остаются там, аннигилируют, и ничего не происходит. Далеко за пределами черной дыры то же самое. Но прямо у горизонта событий один член может упасть, а другой убежать, унося реальную энергию.
И именно поэтому, заявляет он, черные дыры теряют массу, распадаются и откуда берется излучение Хокинга.
Ульф Леонхардт / Университет Сент-Эндрюс
Это было первое объяснение распада черных дыр, которое я, сам астрофизик-теоретик, услышал. Если бы это объяснение было верным, то это означало бы:
- Излучение Хокинга состоит из смеси частиц и античастиц в пропорции 50/50, так как какой член упадет, а какой вылетит, будет случайным,
- , что все излучение Хокинга, вызывающее распад черных дыр, будет исходить от самого горизонта событий, и
- , каждый квант испускаемого излучения должен иметь огромное количество энергии: достаточное, чтобы вырваться из почти, , но не совсем, будучи поглощенным черной дырой.
Конечно, все три пункта неверны. Излучение Хокинга состоит почти исключительно из фотонов, а не из смеси частиц и античастиц. Он излучается из большой области за горизонтом событий, а не прямо на поверхности. И отдельные испускаемые кванты имеют крошечные энергии в довольно большом диапазоне.
Эндрю Гамильтон / JILA / Университет Колорадо
Что странно в этом объяснении, так это то, что это не то объяснение, которое он использовал в своих научных статьях по этой теме. Он знал, что эта аналогия ошибочна и заставит физиков думать о ней неправильно, но решил представить ее широкой публике так, как будто люди не способны понять реальный механизм, который действует на самом деле.
И это очень плохо, потому что реальная научная история не более сложна, но гораздо более поучительна.
В пустом пространстве действительно есть квантовые поля повсюду, и эти поля действительно имеют флуктуации значений энергии. В аналогии с «рождением пары частица-античастица» есть зерно истины, и оно заключается в следующем: в квантовой теории поля вы можете моделировать энергию пустого пространства, складывая диаграммы, включающие образование этих частиц. Но это только вычислительная техника; частицы и античастицы не реальны, а виртуальны. На самом деле они не производятся, не взаимодействуют с реальными частицами и никак не обнаруживаются.
Р. Л. Джаффе, с https://arxiv.org/pdf/hep-th/0503158.pdf
Любому наблюдателю, находящемуся в любой точке Вселенной, та «энергия пустого пространства», которую мы называем нулевой точкой энергии, будут иметь одинаковое значение независимо от того, где они находятся. Однако одно из правил относительности состоит в том, что разные наблюдатели будут воспринимать разные реальности: в частности, наблюдатели в относительном движении или в областях, где кривизна пространства-времени различна, будут не согласны друг с другом.
Итак, если вы находитесь бесконечно далеко от всех источников массы во Вселенной и кривизна вашего пространства-времени незначительна, у вас будет определенная нулевая энергия. Если кто-то другой находится на горизонте событий черной дыры, у него будет определенная энергия нулевой точки, которая для него будет таким же измеренным значением, как и для вас бесконечно далеко. Но если вы попытаетесь сопоставить свою энергию нулевой точки с их энергией нулевой точки (или наоборот), значения не совпадут.
С точки зрения друг друга энергия нулевой точки изменяется в зависимости от того, насколько сильно искривлены два пространства.
Пользователь Pixabay JohnsonMartin
Это ключевой момент, лежащий в основе излучения Хокинга, и сам Стивен Хокинг знал об этом. В 1974 году, когда он впервые получил знаменитое излучение Хокинга, он выполнил именно этот расчет: вычислил разницу нулевой энергии в квантовых полях от искривленного пространства вокруг черной дыры до бесконечно далекого плоского пространства.
Результаты этого расчета определяют свойства излучения, исходящего от черной дыры: не только от горизонта событий, но и от всего искривленного пространства вокруг нее. Он сообщает нам температуру излучения, которая зависит от массы черной дыры. Он сообщает нам спектр излучения: абсолютно черное тело, указывающее на распределение фотонов по энергии и — достаточно ли энергии, доступной через E = mc² — массивные частицы и античастицы тоже.
НАСА; ДАНА БЕРРИ, SKYWORKS DIGITAL, INC.
Это также позволяет нам вычислить важную деталь, которая обычно не принимается во внимание: откуда исходит излучение черных дыр.
В то время как большинство изображений и визуализаций показывают, что 100% излучения Хокинга черной дыры исходит из самого горизонта событий, более точно изобразить его как излучаемое в объеме, который охватывает примерно 10-20 радиусов Шварцшильда (радиус до горизонта событий). , где излучение постепенно уменьшается по мере удаления.
Это приводит нас к феноменальному выводу: все схлопнувшиеся объекты, искривляющие пространство-время, должны излучать излучение Хокинга. Это может быть крошечное, незаметное количество излучения Хокинга, затопленное тепловым излучением, насколько мы можем подсчитать, даже для давно умерших белых карликов и нейтронных звезд. Но оно все еще существует: это положительное, ненулевое значение, которое можно вычислить и которое зависит только от массы, вращения и физического размера объекта.
НАСА
Основная проблема объяснения Хокингом его собственной теории заключается в том, что он берет вычислительный инструмент — идею виртуальных частиц — и обращается с этим инструментом так, как будто он эквивалентен физической реальности. На самом деле происходит то, что искривленное пространство вокруг черной дыры постоянно излучает излучение из-за градиента кривизны вокруг него, и что энергия исходит от самой черной дыры, в результате чего ее горизонт событий со временем медленно сужается.
Черные дыры не распадаются, потому что на них падает виртуальная частица с отрицательной энергией; это еще одна фантазия, придуманная Хокингом, чтобы «спасти» его недостаточную аналогию. Вместо этого черные дыры распадаются и со временем теряют массу, потому что энергия, испускаемая этим излучением Хокинга, медленно уменьшает кривизну пространства в этой области. Когда пройдет достаточно времени, а для реалистичных черных дыр эта продолжительность огромна, они полностью испарятся.
EU’s Communicate Science
Ничто из этого не должно умалять огромных достижений Хокинга на этом фронте. Именно он осознал глубокую связь между термодинамикой черной дыры, энтропией и температурой. Именно он соединил воедино науку о квантовой теории поля и подоплеку искривленного пространства вблизи черной дыры. И именно он — совершенно правильно, заметьте — вычислил свойства и энергетический спектр излучения, которое будут производить черные дыры.