Содержание
Интересные факты о черных дырах
Весной 2019-го интернет облетела фотография черной дыры (точнее, ее «силуэта»). Пресс-конференцию, где были представлены результаты научного открытия, провели сразу в шести городах — от Вашингтона до Брюсселя и Токио. Давайте разберемся, что такое черная дыра, что произойдет с человеком внутри нее, откуда они вообще берутся и почему вот уже десятки лет они будоражат наше сознание своей таинственностью.
«Космический тупик»
Черная дыра — это область пространства-времени, обладающая настолько сильным гравитационным притяжением, что никакие частицы либо электромагнитное излучение не могут ее покинуть. Граница этой области называется горизонтом событий.
Анимация компьютерной визуализации черной дыры с аккреционным диском, созданная специалистами NASA. Источник: NASA
С точки зрения астрофизики, черные дыры — это финальная стадия эволюции звезд. Астрофизические черные дыры представляют собой небольшие по размерам, но очень массивные космические объекты, совсем не излучающие света и других электромагнитных волн.
Например, черная дыра в далекой галактике M87, которую удалось запечатлеть ученым, имеет размер, сравнимый с нашей Солнечной системой. По массе она превосходит Солнце в 6,5 млрд раз. По этому показателю ученые выделяют черные дыры звездной массы, промежуточной массы и сверхмассивные черные дыры.
Как образуются и исчезают черные дыры?
Черные дыры звездных масс представляют собой конечную стадию эволюции массивных звезд. После исчерпания водородно-гелиевого «топлива» в центре такого светила оно начинает сжиматься, поскольку внутреннее давление, создаваемое за счет выделения энергии в ходе реакций термоядерного синтеза, уже не может поддерживать стабильное состояние звезды, и под действием собственной гравитации она стремительно коллапсирует в массивный неизлучающий объект, который мы можем наблюдать, например, в тесной двойной системе благодаря аккреционному диску, образуемому при «перетекании» на него вещества звезды-компаньона.
Изображение черной дыры в центре галактики M87 в поляризованном свете.
Источник: EHT Collaboration
Сверхмассивные черные дыры образуются при слиянии менее массивных черных дыр, расположенных в центрах галактик. Этот процесс предполагает, что масса возникшего объекта будет приблизительно равна сумме масс его «предшественников». Такие объекты также могут формироваться за счет слияния массивных звезд в звездных скоплениях.
Горизонт событий лучится энергией. Благодаря квантовым эффектам на нем возникают потоки частиц, испускаемых в окружающее пространство. Это явление называется «излучением Хокинга» — в честь описавшего его британского физика-теоретика Стивена Хокинга. Несмотря на то, что материя не может вырваться за пределы горизонта событий, за счет этого излучения черная дыра, тем не менее, постепенно «испаряется». Со временем она окончательно потеряет свою массу и исчезнет.
Внутри черной дыры
Ученым неизвестно, что ждет человека, попавшего под горизонт событий. Поглотит ли его черная дыра или разорвут приливные силы? Или он обнаружит там заднюю стенку книжного шкафа, как в американском научно-фантастическом фильме «Интерстеллар»?
Корреспондент ВВС Earth Аманда Гефтер (Amanda Gefter) в статье, которая стала самой читаемой в 2015 году, предполагает, что в тот момент, когда человек достигнет горизонта событий, реальность разделится надвое.
В одной реальности его мгновенно испепелит, в другой же — он нырнет вглубь черной дыры живым и невредимым.
Дело в том, что, в соответствии с физическими принципами, никакой носитель информации (то есть любое физическое тело, включая человеческое) не может пересечь горизонт событий и обязан остаться с внешней его стороны, иначе вся содержащаяся в нем информация окажется потерянной для нашего мира. С другой стороны, законы физики также требуют, чтобы человек — или любое другое тело — пролетел сквозь горизонт живым и невредимым, не повстречав на своем пути никаких необычных опасных явлений. В противном случае будет нарушена Общая теория относительности.
Такое парадоксальное сочетание ученые называют термином «парадокс исчезновения информации в черной дыре». Американский физик Леонард Зюскинд (Leonard Susskind) понял, что никакого парадокса на самом деле нет — просто два состояния человека объясняются с точки зрения ощущений того, кто попал в черную дыру, и того, кто наблюдает за процессом.
Эти два человека никогда больше не встретятся и не смогут сравнить свои наблюдения. Таким образом, физические законы не нарушаются.
Бесконечно искривленное время и пространство
По мере продвижения вглубь черной дыры пространство-время продолжает искривляться и в ее центре становится бесконечно искривленным. Эта точка известна как гравитационная сингулярность. Строго говоря, сами понятия «пространство» и «время» в ней перестают иметь какое-либо значение, а все известные нам законы физики, для описания которых необходимы эти два понятия, больше не действуют.
Сверхмассивная черная дыра из фильма «Интерстеллар»
Кип Торн (Kip Thorne), научный консультант известной кинокартины Кристофера Нолана и автор книги «Интерстеллар. Наука за кадром», сравнивает искривление пространства с муравьем на батуте. Представьте себе муравья (человек), живущего на детском батуте (Вселенная), в середине которого лежит очень тяжелый камень. Так же, как прогибается поверхность батута под весом этого камня, искривляется и пространство нашей Вселенной в окрестностях массивного объекта.
Искривляется и время, взаимосвязь которого с пространством описывают формулы Теории относительности.
Не такая уж и черная
Согласно теории Стивена Хокинга, черные дыры не являются полностью «черными» — фактически они испускают частицы. На самом деле у черной дыры нет никакого цвета: это условное выражение лишь подразумевает, что все падающее в нее не выходит обратно. Мы можем наблюдать ее только в том случае, когда вокруг нее имеется какая-то светящаяся материя (газ или соседняя звезда, вещество которой «перетягивает» сверхмассивный объект). Благодаря гравитационным волнам мы можем «увидеть» две сливающихся черных дыры.
Историческое изображение «тени» черной дыры в галактике M87. Источник: EHT Collaboration
Первый снимок черной дыры, который удалось получить в ходе проекта Event Horizon Telescope, стал результатом нескольких лет обработки данных, собранных радиотелескопами по всей планете. Цвета на изображении — условные, поскольку съемка велась в радиодиапазоне, недоступном человеческому глазу.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ ВСЕЛЕННОЙ | Наука и жизнь
В этом явлении,
казалось, содержится столько
необъяснимого, почти мистического,
что даже Альберт Эйнштейн, чьи
теории, по сути дела, породили
представление о черных дырах, сам
просто не верил в их существование.
Сегодня астрофизики все больше
убеждаются, что черные дыры — это
реальность.
Лучи света в окрестностях черной дыры.
Звезды и облака газа в туманности Андромеды.
Результат компьютерного моделирования полей тяготения. Так все это могло бы выглядеть в том случае, если вращающаяся черная дыра находится где-то между Землей и галактикой Андромеды.
Если какой-то фантастический космонавт попадет в черную дыру, силы притяжения будут вытягивать его все больше и больше, пока не разорвут на молекулы, затем на атомы, а потом на элементарные частицы.
Галактика М84 удалена от Земли на 50 миллионов световых лет.
Чтобы отыскать черную дыру, надо исследовать движение вращающихся масс.
На фото: квазары, излучающие чудовищно огромные количества энергии (1).
На рисунках: черная дыра засасывает газ и пыль (1).
Теория относительности Эйнштейна говорит, что вращающаяся масса увлекает за собой пространство. Недавно этот эффект был обнаружен астрономами.
‹
›
Открыть в полном размере
Математические
расчеты показывают — невидимые гиганты
есть
Четыре
года назад группа американских и
японских астрономов направила свой
телескоп на созвездие Гончих Псов,
на находящуюся там спиральную
туманность М106. Эта галактика
удалена от нас на 20 миллионов
световых лет, но ее можно увидеть
даже с помощью любительского
телескопа. Многие считали, что она
такая же, как и тысячи других
галактик. При внимательном
изучении оказалось, что у
туманности М106 есть одна редкая
особенность — в ее центральной
части существует природный
квантовый генератор — мазер.
Это
газовые облака, в которых молекулы
благодаря внешней «накачке»
излучают радиоволны в
микроволновой области. Мазер
помогает точно определить свое
местоположение и скорость облака, а
в итоге — и других небесных тел.
Японский
астроном Макото Мионис и его
коллеги во время наблюдений
туманности М106 обнаружили странное
поведение ее космического мазера.
Оказалось, что облака вращаются
вокруг какого-то центра, удаленного
от них на 0,5 светового года.
Особенно заинтриговала астрономов
скорость этого вращения:
периферийные слои облаков
перемещались на четыре миллиона
километров в час! Это говорит о том,
что в центре сосредоточена
гигантская масса. По расчетам она
равна 36 миллионам солнечных масс.
Астрономы
отбросили предположение о том, что
такое количество материи может
быть очень плотным скоплением
звезд, которое мы не видим из-за
космической пыли.
Звезды, входящие
в скопление, должны были бы
находиться на очень близком
расстоянии одна к другой. При такой
«толкучке» они непременно
начнут сталкиваться, и звездное
скопление довольно быстро
«рассыпется». Загадку хоровода
облаков ученые объяснили тем, что
они наблюдают черную дыру, вернее,
то, что происходит в ее
окрестностях. Ведь саму черную дыру
увидеть нельзя.
М106
— не единственная галактика, где
подозревается черная дыра. В
Туманности Андромеды, скорее всего,
тоже есть и примерно такая же по
массе — 37 миллионов Солнц.
Предполагается, что и в галактике
М87 — чрезвычайно интенсивном
источнике радиоизлучения -
обнаружена черная дыра, в которой
сосредоточено 2 миллиарда масс
Солнца!
Еще 200
лет назад вопросом о влиянии
гравитации на распространение
света звезд задался ныне мало кому
известный английский
естествоиспытатель Джон Мишелл.
Большинство ученых в те времена
считали, что свет состоит из частиц.
И Мишелл исходил из того, что
частицы света в своем движении
будут замедляться тяготением
звезды или планеты, от которой они
удаляются. Он сделал расчет: какой
должна быть наименьшая сила
притяжения, чтобы частицы света не
могли покинуть их источник. Его
вычисления говорили, что небесное
тело, весящее в 500 раз больше нашего
Солнца, вообще не позволит частицам
света покинуть его.
«Если
такие тела в природе действительно
существуют, — заключал свою работу
Мишелл, — их свет нас никогда не
достигнет». Идеи ученого на
какое-то время привлекли внимание
научных кругов, но последователей
он не обрел.
Прошло
13 лет, и французский философ Пьер
Симон Лаплас, по всей видимости
незнакомый с работами Мишелла,
пришел к аналогичному выводу. Но
тут вскоре было доказано, что свет -
волновое явление.
Гипотезы Мишелла
и Лапласа ученые оставили в
стороне. Все, что касалось
соображений о взаимодействии света
и гравитации, Лаплас в последующих
изданиях своих работ вычеркнул .
Жизнеописание
звезды
Более 100 лет проблема
взаимодействия света и гравитации
была в забвении. Но к ней пришлось
вернуться, когда в конце 1915 года
Эйнштейн опубликовал Общую теорию
относительности — революционное
объяснение сущности тяготения.
Представьте себе
свободное от гравитации
пространство как ровную резиновую
пленку. Вместо звезды у нас будет
тяжелый бильярдный шар. Положим его
на пленку — она прогнется. Второй
шар, находящийся рядом, будет
играть роль планеты. Он скатится в
углубление, сделанное первым шаром,
и шары столкнутся. Но если мы
заставим второй шар двигаться с
определенной скоростью по
окружности вокруг первого, то
столкновения шаров не будет -
центробежная сила уравновесит их
притяжение.
Вести себя так,
как шары на резиновой пленке,
должна и лучистая энергия — свет. В
присутствии тяготения он сохраняет
свою скорость, но траектория света,
попавшего в поле тяготения,
искривляется под его воздействием.
Немецкий астроном
Карл Шварцшильд настолько увлекся
теорией гравитации Эйнштейна, что
взялся исследовать, как все это
отражается на жизни звезд.
Полученные им формулы говорили, что
на определенном расстоянии от
звезды время, пространство и масса
становятся взаимозависимыми: время
может становиться пространством,
пространство — временем. Эти
парадоксы даже вообразить
невозможно, но математически они
отображаются четко. Согласно
уравнениям Общей теории
относительности, сильные поля
тяготения оказывают замедляющее
действие на время, искривляют
пространство.
Все эти
теоретические выводы прошли потом
проверку в экспериментах
астрономов и физиков и везде
получили подтверждение: парадоксы
теории относительности выступают и
в реальных событиях нашего мира, но
ощутимыми они становятся, когда
дело касается больших масс и
скоростей.
В последние годы еще раз
убедились в этом на примере
изучения такого явления, как черные
дыры.
Астрофизики
поняли, что уравнения Шварцшильда
годятся для звезд малых размеров.
Небесное тело, имеющее массу,
равную Солнцу, на последнем этапе
жизни должно «съежиться», его
радиус уменьшится до трех
километров — это так называемая
«граница Шварцшильда».
Продолжая изучать
природу звезд, астрофизики
установили, что это шары из газа,
внутри которых происходит
выделение энергии за счет слияния
атомов водорода и образования
более тяжелых атомов гелия. Возник
вопрос: а что произойдет со звездой,
когда ее топливо, водород, будет
исчерпано?
Индийский ученый
Субрахманьян Чандрасекар в 1930 году
пришел к выводу, что звезда с
массой, не превосходящей 1,4
солнечной, в конце своей жизни
превратится в звезду иного класса -
в белого карлика, который меньше,
чем земной шар.
Материя в ней сжата
так плотно, что атомы теряют свои
электронные оболочки. Электроны
начинают жить собственной жизнью.
Их свобода противостоит силам
тяготения внутри тела звезды и тем
самым сдерживает дальнейшее
спадание вещества к ее центру.
Более тяжелые звезды должны, как
считалось в начале изучения этой
проблемы, под действием
колоссальной гравитации сжиматься
еще больше. Но никто не представлял,
до каких пределов они могут
уменьшиться.
Два года спустя
после того, как были опубликованы
работы Чандрасекара, английский
физик Джеймс Чедвик открыл нейтрон.
Это помогло узнать конечную судьбу
тяжелых звезд: огромное тяготение
«вдавливает» свободные
электроны в протоны, и возникают
электрически нейтральные частицы -
нейтроны. Рождается нейтронная
звезда, вещество которой имеет
невероятную плотность. Кусочек
такой материи размером с кубик
пиленого сахара весит один
миллиард тонн, а нейтронная
песчинка уравновесила бы мощный
электровоз.
Но это относится к
судьбе звезд, которые имеют массу
не более трех солнечных. А что
случится со звездой более тяжелой?
Ответ на вопрос
нашли Роберт Оппенгеймер и его
ученики в 1939 году. По их
представлениям, нет такой силы,
которая могла бы противостоять
коллапсу (сжиманию вещества), если
масса звезды более чем в три раза
превосходит солнечную. В этом
случае — так говорит теория — все
вещество небесного тела сомкнется
в одной точке. Феномен, при котором
плотность материи становится
бесконечно большой, математики
называют сингулярностью (от
латинского «сингл», что
означает «точка»). Радиус такой
компактной звезды будет меньше
трех метров, то есть меньше, чем
было определено Шварцшильдом.
«Горизонт
событий»
Когда звезда
«спадается», то в окружающем ее
пространстве растут силы
гравитации. Значит, пространство
все сильнее и сильнее искривляется.
Звезда замыкает вокруг себя
пространство, когда ее радиус
становится меньше, чем «радиус
Шварцшильда». Небесное тело как
бы обосабливается от всей
Вселенной: ни вещество, ни свет не
могут покинуть звезду. Она словно
помещена в какую-то капсулу. Звезда
становится невидимой — совсем так,
как еще два столетия назад
предполагал Джон Мишелл!
Наблюдатель извне
никаких сигналов от звезды
получить не может. Про нее можно
сказать: скрылась за «горизонтом
событий». А как высоко стоит этот
горизонт, определяется «радиусом
Шварцшильда».
До последнего
времени природа черных дыр
казалась совершенно непонятной,
загадочной. Даже Эйнштейн, теория
относительности которого стала
первым камнем в фундаменте
современного представления о
космосе, не верил в существование
такого фантастического явления,
как черные дыры. В одной из своих
работ, опубликованной в 1939 году, он
писал, что можно доказать: такого не
может быть.
Дальнейшее развитие
науки показало, что здесь он
ошибался, хотя был настолько уверен
в своей правоте, что до конца жизни
к этой проблеме не возвращался. Так
же и Оппенгеймер, разуверившись в
существовании черных дыр, не стал
продолжать исследования
таинственного явления.
Впрочем, ведь
тогда это были чисто теоретические
вопросы. Галактика М106 еще не
открыла свой секрет.
Лишь в
шестидесятые годы астрофизики
всерьез занялись поисками
экзотических объектов Вселенной.
Черные дыры стали искать среди
тяжелых мощных источников света. А
такие во Вселенной есть. Например,
есть область, которая по размерам
равна примерно нашей Солнечной
системе, а излучает энергии в
тысячи раз больше, чем все звезды
нашей Галактики — Млечного Пути.
В 1963 году
американский астроном М. Шмидт
высказал предположение, что
недавно обнаруженный точечный
источник радиоволн может быть
черной дырой, еще не полностью
закрытой «капсулой»
искривленного пространства.
Через
год советский физик академик Яков
Зельдович и его американский
коллега физик Эдвин Солпитер
сообщили о разработанной ими
модели. Модель показала: черная
дыра притягивает газ из
окружающего пространства, и
вначале он собирается в диск возле
нее. От столкновений частиц газ
разогревается, теряет энергию,
скорость и начинает по спирали
приближаться к черной дыре. Газ,
нагретый до нескольких миллионов
градусов, образует вихрь, имеющий
форму воронки. Его частицы мчатся
со скоростью 100 тысяч километров в
секунду. В конце концов вихрь газа
доходит до «горизонта событий»
и навечно исчезает в черной дыре.
Мазер в галактике
М106, о котором шла речь в самом
начале, находится в газовом диске.
Черные дыры, возникающие во
Вселенной, судя по тому, что
наблюдали американские и японские
астрономы в спиральной туманности
М106, обладают несравненно большей
массой, нежели те, о которых говорит
теория Оппенгеймера.
Он рассмотрел
случай коллапса одной звезды, масса
которой не более трех солнечных. А
как образуются такие гиганты,
которые астрономы уже наблюдают,
объяснений пока нет.
Последние
компьютерные модели показали, что
газовое облако, находящееся в
центре нарождающейся галактики,
может породить огромную черную
дыру. Но возможен и другой путь
развития: скопление газа вначале
распадется на множество более
мелких облаков, которые дадут жизнь
большому числу звезд. Однако и в
том, и в другом случае часть
космического газа под действием
собственной гравитации в конце
концов закончит свою эволюцию в
виде черной дыры.
По этой гипотезе
черная дыра есть почти в каждой
галактике, в том числе и в нашей,
где-то в центре Млечного Пути.
Астрономические
наблюдения, проведенные за
последние десять лет, позволяют с
большой степенью достоверности
говорить о том, что черная дыра в
Млечном Пути действительно есть, и
в ней сосредоточено вещество,
равное трем миллионам солнечных
масс.
В работах Оппенгеймера и
Шнайдера говорилось о
теоретической возможности
существования таких гигантов.
Наблюдения так
называемых систем двойных звезд,
когда в телескоп видна лишь одна
звезда, дают основание считать, что
невидимый партнер — черная дыра.
Звезды этой пары расположены так
близко одна к другой, что невидимая
масса «высасывает» вещество
видимой звезды и поглощает его. В
некоторых случаях удается
определить время оборота звезды
вокруг ее невидимого партнера и
расстояние до невидимки, что
позволяет рассчитать скрытую от
наблюдения массу.
Первый кандидат
на такую модель — пара, обнаруженная
в начале семидесятых годов. Она
находится в созвездии Лебедя
(обозначена индексом Cygnus XI) и
испускает рентгеновские лучи.
Здесь вращаются горячая голубая
звезда и, по всей вероятности,
черная дыра с массой, равной 16
массам Солнца. Другая пара (V404)
имеет невидимую массу в 12
солнечных.
Еще одна подозреваемая
пара — рентгеновский источник (LMCХ3)
в девять солнечных масс находится в
Большом Магеллановом Облаке.
Все эти случаи
хорошо объясняются в рассуждениях
Джона Мишелла о «темных
звездах». В 1783 году он писал:
«Если светящиеся тела вращаются
вокруг невидимого чего-то, то мы
должны быть в состоянии из движения
этого вращающегося тела с
известной вероятностью сделать
вывод о существовании этого
центрального тела».
Год 1997. Новые
открытия
Совсем недавно
удалось доказать, что некоторые
черные дыры вращаются, вовлекая в
это движение и окружающее их
пространство. «До сих пор мы
умели узнавать лишь массу черной
звезды, теперь можем определять ее
вращательный импульс», — с
гордостью говорит сотрудник Центра
НАСА в Хантсвилле Шуанг Нан Цанг.
Черную дыру
окружает некая граница, и вся
материя, находящаяся внутри нее,
непременно будет поглощена дырой.
Размеры границы зависят, в
частности, от скорости вращения
черной дыры. Эту скорость можно
посчитать, если знать, с какой
скоростью движется материя у
границы.
Расшифровывая
информацию, поступающую от
спутников, улавливающих
рентгеновское излучение, Шуанг Нан
Цанг и его коллеги пришли к выводу,
что в Млечном Пути находятся 12
черных дыр с массой от трех до
тридцати солнечных. Некоторые из
этих дыр вращаются очень медленно,
другие — вовсе неподвижны. Но две
вращаются вокруг своих осей с
невероятной скоростью.
«Исследуя
вращение черной дыры, — пишет
астрофизик из Балтимора Марио
Ливио, — можно узнать, сколько
материи она успела поглотить за
свою жизнь и как вращательный
импульс связан с выбросом материи в
виде осевой струи». Цанг убежден,
что эти две быстро вращающиеся
дыры, обнаруженные в нашей
Галактике, посылают в свои
окрестности струи
высокоэнергичных частиц.
Струи
вращаются примерно с той же скоростью, что и
сама черная дыра.
Точные измерения
позволяют определить скорость
вращения вихря материи прежде, чем
она исчезнет в черной дыре.
Кроме того, ученые
обнаружили колебания
интенсивности рентгеновского
излучения у обоих объектов. Эти
наблюдения навели в конце 1997 года
на след еще более удивительного
феномена: газовые и пылевые частицы
около двух черных дыр, о которых
идет речь, подвержены
периодическому движению,
называемому прецессией. Это значит,
что ось вихревого движения частиц
не стоит на
месте, а в свою очередь вращается
вокруг другой оси.
Такое движение
нам хорошо знакомо: полярная ось
Земли тоже вращается и описывает
своим (воображаемым) концом на небе
круг за 25800 лет. У черных дыр
прецессия происходит много
интенсивнее: ось газо-пылевого
диска (GRS 1915+105) оборачивается 67 раз в
секунду, ось диска, окружающего
вторую дыру (GROJ 1655-40), делает 300
оборотов в секунду.
Это говорит о
том, что пространство около черных
дыр само вовлечено во вращение,
примерно так, как вода в ванне закручивается
перед выпускным отверстием.
Возможность
существования подобного феномена
предвидели еще в 1918 году
австрийские физики Иосиф Лензен и
Ганс Тюрринг. Они пришли к такому
выводу на основе Общей теории
относительности А. Эйнштейна. И вот
только теперь, в конце прошлого
года, впервые доказано, что такой
эффект действительно существует.
Нынешний успех
астрономии доказывает, что черные
дыры — не просто экзотические
объекты Вселенной, окрыляющие нашу
фантазию, они заставляют
задуматься над тем, что многие
причудливые особенности природы
еще не познаны. Два итальянских
астронома, Луиджи Стелла и Марио
Виертри, на основе данных,
полученных со спутника RXTE, открыли
искривление пространства около
нейтронной звезды, правда, очень
слабое.
Уже создается спутник,
названный «Gravity Probe В»,
специально приспособленный для
исследования эффектов теории
относительности. Его старт
планируется на 2000 год.
Гипотезы и
парадоксы
Общая теория
относительности, как известно,
предсказала, что масса искривляет
пространство. И уже через четыре
года после опубликования работы
Эйнштейна этот эффект был
обнаружен астрономами. При полном
солнечном затмении, проводя
наблюдения с телескопом, астрономы
видели звезды, которые на самом
деле были заслонены краем черного
лунного диска, покрывшего Солнце.
Под действием солнечной гравитации
изображения звезд сместились.
(Здесь поражает еще и точность
измерения, потому что сместились
они меньше, чем на одну тысячную
градуса!)
Астрономы теперь
точно знают, что под влиянием
«линзы тяготения», которую
представляют собой тяжелые звезды
и, прежде всего, черные дыры,
реальные позиции многих небесных
тел на самом деле отличаются от тех,
что нам видятся с Земли.
Далекие
галактики могут выглядеть для нас
бесформенными и более яркими, чем
они есть на самом деле из-за того,
что на пути к Земле их свет
взаимодействует со множеством
«линз тяготения». Иногда луч,
проходя мимо тяжелого объекта,
расщепляется, и тогда наблюдатель с
Земли видит множество изображений
одного и того же объекта, или же они сливаются в
кольцо.
Моделирование на
компьютере показало, например, что
свечение газового диска,
вращающегося вокруг черной дыры,
видно и сзади ее «капсулы». Это
означает: тяготение столь велико и
пространство так закручено, что
свет проходит по кругу. Поистине
там можно увидеть то, что
происходит за углом.
Вообразим
совершенно невероятное: некий
отважный космонавт решил направить
свой корабль к черной дыре, чтобы
познать ее тайны. Что он увидит в
этом фантастическом путешествии?
По мере
приближения к цели часы на
космическом корабле будут все
больше и больше отставать — это
вытекает из теории
относительности.
На подлете к цели
наш путешественник окажется как бы
в трубе, кольцом окружающей черную
дыру, но ему будет казаться, что он
летит по совершенно прямому
тоннелю, а вовсе не по кругу. Но
космонавта ждет еще более
удивительное явление: попав за
«горизонт событий» и двигаясь
по трубе, он будет видеть свою
спину, свой затылок…
Общая теория
относительности говорит, что
понятия «вовне» и «внутри»
не имеют объективного смысла, они
относительны так же, как указания
«налево» или «направо»,
«верх» или «низ». Вся эта
парадоксальная путаница с
направлениями очень плохо
согласуется с нашими повседневными
оценками.
Как только
корабль пересечет границу черной
дыры, люди на Земле уже не смогут
ничего увидеть из того, что там
будет происходить. А на корабле
остановятся часы, все краски будут
смещены в сторону красного цвета:
свет потеряет часть энергии в
борьбе с гравитацией.
Все предметы
приобретут странные искаженные очертания.
И, наконец, даже если эта черная
дыра будет всего вдвое тяжелее, чем
наше Солнце, притяжение станет
столь сильным, что и корабль, и его
гипотетический капитан будут
вытянуты в шнурок и вскорости
разорваны. Материя, попавшая внутрь
черной дыры, не сможет
противостоять силам, влекущим ее к
центру. Вероятно, материя
распадется и перейдет в
сингулярное состояние.
Согласно
некоторым представлениям, эта
распавшаяся материя станет частью
какой-то иной Вселенной — черные
дыры связывают наш космос с другими
мирами.
Земное небо | Что такое черные дыры?
По самой своей природе черные дыры темны. Это первое в истории изображение черной дыры, сделанное в апреле 2019 года. Яркое кольцо формируется из света, который изгибается под действием сильной гравитации вокруг черной дыры, которая в 6,5 миллиардов раз массивнее нашего Солнца. Эта черная дыра находится в центре галактики M87, в 55 миллионах световых лет от Земли.
Изображение предоставлено коллаборацией Event Horizon Telescope.
Что такое черные дыры?
Черная дыра обладает такой сильной гравитацией, что ничто, даже свет, не может от нее ускользнуть. Вот почему черные дыры черные. Мы не можем видеть их напрямую. Но мы можем видеть влияние черных дыр на окружающее их пространство. Черные дыры могут достигать массы миллионов или миллиардов звезд. Или они могут быть такими же маленькими, как несколько звездных масс, сжатых до экстремальной плотности во время взрывов сверхновых. А в прошлом году мы узнали, что черные дыры промежуточной массы тоже существуют. Кроме того, могут быть даже микрочерные дыры.
Лунные календари на 2022 год все еще доступны. Закажи себе, пока они не закончились!
От теории к реальности
В своей общей теории относительности 1915 года Альберт Эйнштейн первым предположил, что наша Вселенная содержит такие странные, плотные, массивные объекты. Черные дыры возникают из уравнений общей теории относительности Эйнштейна как естественное следствие смерти и коллапса массивных звезд.
В 1916 году немецкий математик Карл Шварцшильд первым математически сформулировал черные дыры. Физик-теоретик Джон Уиллер впервые придумал название 9.0011 черная дыра много лет спустя, в 1967 году.
Вплоть до 1970-х годов черные дыры были только математическими диковинками. Затем, в 1971 году, ученые открыли первую физическую черную дыру Лебедь X-1.
Черные дыры звездной массы
Нам известны три типа черных дыр. Первая — это так называемая черная дыра звездной массы. Это остатки огромных звезд. Когда в конце своей жизни звезда, масса которой более чем в пять раз превышает массу нашего Солнца, взрывается как сверхновая, гравитация внезапно и сильно сжимает ее ядро.
В зависимости от массы звезды коллапс может остановиться и сформировать нейтронную звезду. Но если его масса достаточна, коллапс ядра продолжится, образуя черную дыру. Черные дыры звездной массы имеют массу в диапазоне от минимум примерно в пять раз больше массы нашего Солнца до примерно в 60 раз больше массы Солнца.
Их диаметр обычно составляет от 10 до 30 миль (16-48 км).
Художественный концепт Cygnus X-1. Астрономы считают Лебедь X-1 типичной звездной черной дырой в двойной звездной системе. Лебедь X-1 когда-то был звездой, прежде чем превратился в черную дыру. Причина, по которой мы можем обнаружить черную дыру, заключается в том, что она высасывает материал из своего компаньона, голубой сверхгигантской переменной звезды HDE 226868. Изображение предоставлено ESA/Wikimedia Commons.
Черные дыры промежуточного звена
Ученые объявили об открытии черной дыры промежуточной массы в 2021 году. Этот тип черной дыры устраняет разрыв между меньшими черными дырами звездной массы и сверхмассивными черными дырами, которые скрываются в центре галактик. Недавно обнаруженная черная дыра «Златовласка» имеет массу 55 000 солнц. Астрономы нашли промежуточную черную дыру, обнаружив что-то, находящееся далеко за ней: сигналы от гамма-всплеска. Гравитационное линзирование излучения вспышки навело ученых на мысль о черной дыре промежуточной массы.
Теоретически должны существовать черные дыры промежуточной массы, большие, чем образовавшиеся из отдельных звезд, но меньшие, чем сверхмассивные в центрах галактик. Астрономы говорят, что нашли его, обнаружив всплеск гамма-излучения, который был гравитационно линзирован черной дырой. На этой диаграмме гамма-всплеск изображен справа. Массивная черная дыра в центре действует как линза , преломляющая свет гамма-всплеска. Изображение предоставлено Карлом Ноксом/OzGrav/Мельбурнским университетом.
Сверхмассивные черные дыры
Третий тип черных дыр — сверхмассивные черные дыры. Они могут иметь массу миллиардов солнц. Астрономы считают, что в ядрах большинства галактик есть сверхмассивные черные дыры. Тот, что находится в центре нашей собственной галактики Млечный Путь, Стрелец A*, имеет массу примерно в 4 миллиона раз больше массы нашего Солнца и около 37 миллионов миль в диаметре.
Другой пример сверхмассивной черной дыры находится в центре квазара, известного как TON 618.
Масса центральной черной дыры оценивается в 66 миллиардов солнечных. Сверхмассивные черные дыры могли образоваться в ранней истории Вселенной из огромных коллапсирующих облаков межзвездного водорода, хотя их точное происхождение неясно и является областью активных исследований. Они также могли накопить дополнительную массу за эоны лет в результате слияний с другими черными дырами.
Концепт художника, показывающий окрестности сверхмассивной черной дыры, типичной для тех, которые находятся в центре многих галактик. Саму черную дыру окружает блестящий аккреционный диск из очень горячего падающего материала и пыльный тор (кольцо в форме пончика). Также часто на полюсах черной дыры выбрасываются высокоскоростные струи материала, которые могут простираться на огромные расстояния в космос. Изображение из ESO/Wikimedia Commons.
Черная дыра 4-го типа
Может быть еще одна категория черных дыр, микро-черная дыра. Они были бы меньше по размеру черной дыры звездной массы. Пока что они все еще только гипотетические, и ни одно из них не было доказано.
Что внутри черной дыры?
По определению, мы не можем наблюдать, что находится внутри черной дыры, потому что ни свет, ни какая-либо информация не могут выйти наружу. Но астрофизические теории предполагают, что в ядре черной дыры вся масса черной дыры сосредоточена в крошечной точке бесконечной плотности. Эта точка известна как сингулярность.
Именно эта точка — эта сингулярность — создает невероятно сильное гравитационное поле черной дыры. Учтите, однако, что сингулярность может и не существовать. Это потому, что вся известная физика не работает в экстремальных условиях в центре черной дыры, где квантовые эффекты, несомненно, играют большую роль. Поскольку у нас еще нет квантовой теории гравитации, невозможно описать, что на самом деле существует в ядре черной дыры.
Границы черной дыры
Граница черной дыры — это ее горизонт событий. Это не физическое преимущество. Это просто точка в пространстве, за которой невозможно избежать гравитации черной дыры.
Как только что-либо, падающее в черную дыру, проходит горизонт событий, оно уже никогда не может покинуть черную дыру. Он неумолимо и неизбежно тянется к центру черной дыры. В пределах горизонта событий любой твердый объект разрывается на части жесткой гравитацией и превращается в составляющие его субатомные частицы. На горизонте событий скорость убегания черной дыры достигает скорости света.
Наблюдение за черными дырами
Без излучения черной дыры ученые могут наблюдать только их гравитационное воздействие на близлежащие космические объекты. Если рядом с черной дырой есть звезды или газ, возможно, она активно ими «питается». То есть черная дыра может втягивать материал из этих ближайших объектов. В этом случае у черной дыры будет аккреционный диск. Именно здесь материал закручивается внутрь, прежде чем черная дыра съест его, как вода в канализации. Аккреционный диск может вращаться со скоростью, значительно превышающей скорость света: трение между сталкивающимися частицами в диске повышает его температуру до миллионов градусов, испуская огромное количество рентгеновских лучей, которые можно обнаружить с помощью специальных телескопов.
В апреле 2019 года проект Event Horizon Telescope показал первое в истории прямое изображение черной дыры, сверхмассивной черной дыры в центре гигантской эллиптической галактики M87. Это изображение было получено глобальным массивом радиотелескопов. Это продемонстрировало вне всяких разумных сомнений, что черные дыры существуют. Ученые смогли напрямую проверить модели поведения черных дыр, разработанные в общей теории относительности, и обнаружили, что черная дыра M87 идеально им соответствует.
Снимок космического телескопа Хаббла струи, питаемой черной дырой, из центра галактики M87. Струя состоит из электронов и других субатомных частиц, движущихся почти со скоростью света. Изображение получено командой Hubble Heritage Team (STScI/AURA)/NASA/ESA/esahubble.org.
Вывод: Черная дыра — это область пространства с настолько сильным гравитационным полем, что ничто, даже свет, не может покинуть ее. Черные дыры бывают трех размеров, возможно, четырех.
Энди Бриггс
Просмотр статей
Об авторе:
Энди Бриггс провел последние 30 лет, знакомя людей с астрономией, астрофизикой и информационными технологиями.
Вы можете услышать его еженедельные обновления астрономических и космических новостей по понедельникам на глобальном интернет-радиоканале AstroRadio (http://www.astroradio.earth), где он также участвует в других программах. Он принимал активное участие во многих астрономических обществах Великобритании и часто публикуется в журнале Astronomy Ireland. Энди также регулярно читает лекции на темы, связанные с астрофизикой, такие как гравитационные волны и черные дыры. Он живет в Каталонии, Испания, со своей дочерью.
Келли Кизер Уитт
Просмотр статей
Об авторе:
Келли Кизер Уитт уже более двух десятилетий пишет научные статьи, специализирующиеся на астрономии. Она начала свою карьеру в журнале Astronomy Magazine, а также регулярно вносит вклад в AstronomyToday и Sierra Club, а также в другие издания. Ее детская книжка с картинками «Прогноз Солнечной системы» была опубликована в 2012 году. Она также написала роман-антиутопию для молодых взрослых под названием «Другое небо».
Когда она не читает и не пишет об астрономии и не смотрит на звезды, ей нравится путешествовать по национальным паркам, разгадывать кроссворды, бегать, играть в теннис и кататься на байдарках. Келли живет со своей семьей в Висконсине.
10 забавных фактов о черных дырах — Астрономический центр Versant Power и Планетарий Мейнарда Джордана
27 февраля 2015 г.
Новости
Эми Лайонс
Что такое черная дыра? Проще говоря, черная дыра — это место во Вселенной, где существует сильное гравитационное притяжение. А теперь 10 забавных фактов о черных дырах!
1. Вы не можете увидеть черную дыру напрямую.
Черная дыра называется черной дырой из-за ее цвета, тем более что свет не может выйти наружу. Однако то, что мы можем видеть, — это эффекты черной дыры. Анализируя окрестности черной дыры, мы можем увидеть ее влияние на окружающую среду. Например, можно увидеть, как звезда, находящаяся достаточно близко к черной дыре, разрывается на части.
2. Вероятно, в нашем Млечном Пути есть черная дыра.
Но не пугайтесь, Земле ничего не угрожает! Большая черная дыра, которая, по мнению астрономов, находится в нашем Млечном Пути, находится на расстоянии световых лет от Земли.
3. Умирающие звезды ведут к звездным черным дырам.
Гибель больших звезд приводит к образованию черных дыр, потому что гравитация звезды превысит естественное давление звезды, которое она поддерживает, чтобы сохранить свою форму. Когда давление ядерных реакций падает, гравитация подавляет и разрушает ядро звезды, а другие слои звезды выбрасываются в космос, и этот процесс также известен как вспышка сверхновой. Остаток ядра коллапсирует, пятно преодолевается плотностью и без объема – черная дыра.
4. Существуют три категории черных дыр.
1) Изначальные черные дыры. Это самые маленькие из черных дыр размером от атома до массы горы.
2) Звездные черные дыры.
Это наиболее распространенные черные дыры, которые могут быть в 20 раз массивнее Солнца. Их также множество по всему Млечному Пути.
3) Сверхмассивные черные дыры. Это самые большие из черных дыр, более чем в 1 миллион раз массивнее Солнца.
5. Черные дыры — это круто.
Допустим, кто-то падает в черную дыру, и есть наблюдатель, который это видит. Время человека, попавшего в черную дыру, замедляется по сравнению с тем, кто смотрит. Это объясняется общей теорией относительности Эйнштейна, в которой говорится, что время зависит от того, насколько быстро вы движетесь, когда вы находитесь на экстремальных скоростях, близких к свету.
6. Первая черная дыра не была открыта до тех пор, пока не стали использовать рентгеновскую астрономию.
Лебедь X-1 была первой черной дырой, открытой в 1960-х годах, и она в 10 раз массивнее Солнца.
7. Ближайшая черная дыра, вероятно, находится на расстоянии не более 1600 световых лет.
V4647 Стрелец считался находящимся на расстоянии 1600 световых лет от нас, но он находится дальше, чем ожидалось. Теперь ученые считают, что эта черная дыра находится на расстоянии около 20 000 световых лет.
8. Мы не знаем, существуют ли червоточины.
Мы не знаем, существует ли это событие, так как мы не слишком много знаем о физике, но это также означает, что все может быть возможно.
9. Черные дыры опасны, только если подойти слишком близко.
Черные дыры можно безопасно наблюдать с большого расстояния, но не слишком близко, что также означает, что черная дыра вряд ли поглотит всю вселенную.
10. Черные дыры постоянно используются в научной фантастике.
В научной фантастике есть множество изображений черных дыр. Многие примеры включают: Интерстеллар, Горизонт событий, Звездный путь, Звездный крейсер Галактика, Остров сокровищ, Супермен: мультсериал, Трансформеры.