Откуда берутся черные дыры: «Откуда берутся чёрные дыры?» — Яндекс Кью

Что будет, если попасть в черную дыру? Откуда они вообще берутся? Для чего их изучают? Стыдные вопросы о черных дырах — Meduza

EHT Collaboration

10 апреля группа исследователей проекта «Телескоп горизонта событий» показала первое в истории изображение черной дыры. Косвенно существование этих объектов, которые поглощают даже свет, подтверждали и раньше, но теперь их впервые показали наглядно. «Медуза» попросила приглашенного профессора лаборатории фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ Станислава Бабака и главу лаборатории Юрия Ковалева ответить на распространенные вопросы о черных дырах.

Что представляют собой черные дыры? Что такое горизонт событий?

Черные дыры — это наиболее компактные и самые простые объекты во Вселенной. Они описываются всего двумя параметрами — массой и скоростью вращения. С точки зрения астрофизики черные дыры — это конечная стадия эволюции звезд. Например, тяжелая звезда эволюционирует, взрывается, и ее центр сжимается в черную дыру. Горизонт событий черной дыры — это ее условная поверхность, оболочка, никакой физической поверхности нет, это просто некоторое расстояние от центра. Это то место, попадая в которое объект или свет уже не сможет выбраться обратно, так как здесь начинается очень сильная гравитация, которая не выпускает попавшие в него объекты. Это можно объяснить математически: выход из горизонта событий означает движение в обратную сторону по времени, что невозможно с точки зрения физики. 

Почему черные дыры так называются? Разве они могут быть какого-то цвета?

Одно из первых названий черных дыр — коллапсары. Название «черные дыры» было придумано в XX веке журналистами и подхвачено одним из великих ученых того времени, американским физиком-теоретиком Джоном Уиллером. Почему именно черные? Это такой объект, который не может ничего излучать, свет оттуда не выходит. Хотя и это не совсем правда: черные дыры могут излучать так называемое излучение Хокинга (испарение черных дыр), но на классическом уровне если свет в них попадает, то ничто оттуда не выходит, именно поэтому их называют «черные дыры» — их никак нельзя увидеть. Мы можем наблюдать черную дыру, только если вокруг нее есть какая-то материя: газ или соседняя звезда, с которой черная дыра стаскивает оболочку. Благодаря гравитационным волнам мы можем «увидеть» две сливающиеся черные дыры. Фактически у черных дыр нет никакого цвета, это условное название, обозначающее, что все в нее падает и ничего не выходит.

Откуда берутся черные дыры? 

Это зависит от их массы. Черные дыры бывают небольшими (несколько масс нашего Солнца), а могут быть очень массивными (миллионы масс Солнца). Размер черных дыр пропорционален их массе.

Черные дыры с околосолнечной массой могли зародиться в ранней Вселенной. Подобная черная дыра может образоваться путем сжимания звезды в 20–60 раз больше нашего Солнца, которая взрывается в конце жизни, а то, что останется в центре, сожмется до размеров черной дыры, сколлапсирует. Массы таких черных дыр ограниченны — больше 5 солнечных масс, но меньше 50–60 солнечных масс. 

Пример массивной черной дыры показали 10 апреля благодаря «Телескопу горизонта событий», который сфотографировал объект в центре галактики M87 с массой в миллиарды солнечных. В центре нашей Галактики тоже есть подобная черная дыра, ее масса — 4 миллиона солнечных. Эта черная дыра образовалась вместе с Галактикой — либо от гигантского газового облака, которое сжалось и образовало черную дыру, либо это было первое поколение тяжелых звезд, которые образовывали первые черные дыры, те, в свою очередь, сливались и формировали черные дыры размером в тысячу солнечных масс. Основной механизм роста массы черных дыр в центре галактик — заглатывание газа из окружающей среды. Чем больше «бросаешь» в черную дыру, тем больше она растет. Более того, если «бросать» газ или частицы в черную дыру в одном направлении, она еще будет и раскручиваться.  

Какой они бывают формы? Если в черную дыру все проваливается, значит, у нее есть дно?

Черные дыры могут быть двух форм: если она почти не вращается — сферической, а если вращается быстрее — сфероидальной (сплющенная сфера). Как правило, все черные дыры вращаются — какие-то быстрее, какие-то медленнее. Дна в черной дыре нет. Мы не до конца понимаем, что конкретно происходит в самом центре, где законы физики перестают работать. Общая теория относительности говорит нам, что кривизна пространства в центре черной дыры бесконечна. Но это означает только, что теория в центре черной дыры не работает. Поэтому, например, попытки создать квантовую теорию гравитации — это попытки ответить, что может быть в самом центре черной дыры. Пока простейший ответ — это бесконечность, сингулярность. Но в природе нет ничего бесконечного, значит, пока в нашем уравнении что-то не так.  

Для чего изучают черные дыры?

Достаточно большое количество вопросов о природе Вселенной основывается на понятии черных дыр, поэтому ученым важно подтвердить экспериментально это представление, чтобы сказать: «Да, мы не занимаемся ерундой, эти теории справедливы, наши построения верны, и мы можем двигаться дальше в изучении Вселенной с использованием такого теоретического понятия, как черная дыра». Можно вспомнить открытие гравитационных волн — слияние двух черных дыр массой 20–30 масс Солнца. Это тоже было косвенное доказательство существования черных дыр. Объявленное 10 апреля обнаружение тени черной дыры очень важно, потому что оно подтверждает самосогласованность наших теорий. Предсказание было такое: если в центре галактики Дева А (или Мессье 87) есть черная дыра массой около 6 миллиардов масс Солнца, тогда мы увидим фотонное кольцо из света как раз такого размера, как удалось измерить. 

Следующий шаг — обновление общей теории относительности Эйнштейна на основе данных о сильном гравитационном поле массивной черной дыры. Для этого центр галактики М87, где было получено первое изображение, не очень подходит: нужна значительно более высокая точность измерений. Массу с большой точностью ученые смогли определить только для черной дыры в центре нашей Галактики — мы называем этот объект Стрелец А*.

Все обратили внимание, что группа «Телескопа горизонта событий» практически ни слова не сказала про центр нашей Галактики. Дело в том, что Стрелец А* довольно недружелюбно к нам настроен по объективным физическим причинам. Наша центральная черная дыра имеет достаточно маленький горизонт событий. Соответственно, взрывные процессы там происходят очень быстро — в пределах или менее одного часа. «Телескопу горизонта событий» сложно восстановить картинку, когда черная дыра так быстро меняется. Это можно сравнить с попытками родителей сфотографировать своего постоянно крутящегося ребенка — картинка все время получается смазанной. Ученым необходимо научиться восстанавливать изображение в центре нашей Галактики за очень короткое время. Пока таких инструментов нет.

Сколько уже открыто черных дыр?

Объектов, которые ведут себя как одиночные черные дыры (тянут на себя материю и газ), очень много. Что касается двойных черных дыр, если верить каталогу LIGO и VIRGO, то их всего 10 пар. 

Черные дыры действительно бесконечно расширяются, поглощая все на своем пути?

Нет. Если в черную дыру специально бросать объекты, масса будет увеличиваться, но в нее очень сложно попасть. Черная дыра при этом будет оставаться очень маленькой. Звездам и газу, которые вращаются вокруг черной дыры, ничего не угрожает — нужно быть действительно очень близко к черной дыре, чтобы она начала их поглощать. 

Что будет, если попасть в черную дыру?

Когда падаешь в черную дыру, с одной стороны, тебя начинает сплющивать, с другой — очень сильно растягивать. Есть известная задача: что случится с космонавтом, который падает в черную дыру, — сначала оторвет голову или сплющит? Правильный ответ — голову оторвет вначале. При проходе через горизонт событий пространство искривляется, и кривизна пространства быстро растет, пока космонавт сам не станет сингулярностью (исчезнет). 

Могут ли две черные дыры столкнуться? Что тогда произойдет?

Две черные дыры очень тяжело столкнуть. Для этого они должны быть на очень близком расстоянии друг к другу. Один из способов — двойные звезды, которые обе в результате «старения» превратились в черные дыры, тогда они будут с самого начала близко друг от друга. 

Чтобы две массивные черные дыры в сталкивающихся галактиках оказались близко, нужны миллиарды лет. И они должны быть очень близко, чтобы гравитационное излучение стало таким, что они сольются в течение нескольких десятков лет. В результате слияния черных дыр получается опять же черная дыра с большей массой и больше по размерам. 

что мы знаем о черных дырах

На этой неделе начинается большой радиоастрономический проект — Event Horizon Telescope. Ученые попытаются в подробностях разглядеть сверхмассивную черную дыру в центре нашей Галактики. Вспоминаем по такому случаю, что мы знаем об этих загадочных объектах.

Черная дыра — это область пространства, которая обладает таким притяжением, что даже свет не может ее покинуть. Идея существования таких объектов появилась еще в конце XVIII века, когда английский естествоиспытатель Джон Митчелл предположил, что если размеры звезды будут очень маленькими, а масса — очень большой, то она не будет светить, потому что ее притяжение просто не даст свету вырваться (Митчелл представлял себе свет состоящим из частиц).

В современной науке существование черных дыр предсказывает теория относительности. Гравитацию в соответствии с этой теорией наглядно объясняют так: представим себе ткань, а лучше лист резины, на который кладут камни. Камни продавливают его сильнее или слабее в зависимости от своего веса, а более легкие катятся туда, где более тяжелые продавили яму поглубже. Поэтому планеты «притягивают» спутники, Солнце «притягивает» планеты и так далее.

Изображение: Mopic / Фотодом / Shutterstock

Остерегайтесь черных дыр и водопадов

Используя эту метафору, Стивен Хокинг объясняет черные дыры так: представим, что мы кладем на резину очень тяжелый и компактный камень, он продавливает в ней бездонную яму, в которую вещество падает безвозвратно.

Граница черной дыры называется горизонтом событий, за этим горизонтом скорость, с которой нужно двигаться, чтобы вырваться из черной дыры, должна превышать скорость света — задача невозможная. Представить это себе можно как падение на лодке в водопад: чем ближе к водопаду, тем сильнее нужно грести, чтобы не затянуло, но с какого-то момента как ни старайся — вырваться уже не получится, вы падаете, но в случае черной дыры на дне вас ждут не острые камни, а загадочная сингулярность.

В области сингулярности плотность материи становится бесконечной. Говорят, может даже образоваться туннель в другую Вселенную. Но это все слухи, а что там на самом деле происходит — никто не знает.

Фантазия на тему туннеля в пространстве. Изображение: ktsdesign / Фотодом / Shutterstock

Все это звучит странно и загадочно, но в том, что черные дыры существуют, астрофизики не сомневаются: например, долгожданное открытие гравитационных волн, порожденных столкновением двух черных дыр, — весомое подтверждение их существования.

Откуда берутся черные дыры

Черные дыры звездных масс образуются из звезд массой в 3−5 раз больше солнечной (поэтому наше Солнце черной дырой не станет, оно превратиться в белого карлика через миллиарды лет). «Топливо» для термоядерных реакций в звездах не бесконечно, и, когда оно заканчивается, звезда «схлопывается» и вспыхивает сверхновой.

А вот откуда берутся сверхмассивные черные дыры, неизвестно. На этот счет есть только предположения, такие как схлопывание массивных облаков газа на ранних стадиях образования галактик, разрастание черных дыр звездной массы за счет поглощения материи или слияния множества таких дыр в одну сверхмассивную. Недостатка в предположениях нет, а вот с наблюдениями дело обстоит сложнее.

Как увидеть черную дыру

Увидеть саму черную дыру нельзя, на что намекает ее название, а вот падающее в нее вещество — можно. В центрах многих галактик находятся черные дыры массой в миллионы больше солнечной. Они притягивают пыль, газ и звезды. Из этого вещества вокруг черной дыры образуется аккреционный диск. В нем материя закручивается, как в воронке, перед тем как упасть в черную дыру, и из-за трения разогревается, благодаря чему начинает ярко светиться во всем спектре. При падении же материи в черную дыру давление излучения и влияние магнитного поля у границы черный дыры отбрасывают часть вещества далеко от нее.

Сверхмассивная черная дыра в центре нашей Галактики называется Стрелец A*. Словосочетание «наша Галактика» звучит как-то по-домашнему, будто до центра ее рукой подать, но на самом деле черная дыра находится от нас в 25 тысячах световых лет, масса ее — в 4 миллиона раз больше солнечной.

Разглядеть ее на таком расстоянии очень сложно — все равно что пытаться увидеть теннисный мячик на Луне, и необходимая для этого острота «зрения» доступна лишь радиотелескопам благодаря приему радиоинтерфереометрии, который позволяет объединить телескопы в разных уголках земного шара в один огромный виртуальный телескоп. Так, проект Event Horizon Telescope объединит наблюдения телескопов в США, Испании, Мексике, Чили и даже в Антарктиде.

Второй объект для наблюдения — черная дыра в центре галактики M 87 Она примерно в 6 миллионов раз массивнее Солнца, но и находится существенно дальше — в 53 миллионах световых лет от нас.

На что похожа черная дыра

Результаты наблюдений будут опубликованы только в следующем году, а пока, чтобы примерно представить себе, что могут увидеть телескопы, можно полюбоваться на черную дыру в фильме «Интерстеллар», создатели которого постарались сделать картину как можно более правильной с научной точки зрения.

Правильность этой картинки в том, что аккреционный диск за черной дырой выглядит не как кольца у Сатурна, а выглядывает из-за черной дыры, потому что ее сильное гравитационное поле искажает путь, который проходит излучение аккреционного диска. Впрочем, есть и отличие от «Интерстеллара»: с одной стороны аккреционный диск из-за его вращения должен выглядеть ярче.

В результате изображение должно получиться похожим на картинку, которую астрофизик Жан-Пьер Люмине (Jean-Pierre Luminet) смоделировал в 1978-м еще на компьютере IBM 7040, работавшем на перфокартах, и нарисовал от руки для статьи в журнале Astronomy and Astrophysics.

Рисунок Люмине. Источник: Luminet, J.-P. Image of a spherical black hole with thin accretion disk

Откуда берутся сверхмассивные черные дыры?

Астрономы довольно хорошо представляют себе, как образуется большинство черных дыр: массивная звезда умирает, и после того, как она становится сверхновой, оставшаяся масса (если ее достаточно) коллапсирует под действием силы собственной гравитации, оставляя после себя черную дыру это от пяти до 50 раз больше массы нашего Солнца. Чего эта аккуратная история происхождения не может объяснить, так это того, откуда берутся сверхмассивные черные дыры, масса которых в диапазоне от 100 000 до 90 003 десятков миллиардов в 90 004 раз превышает массу Солнца. Эти монстры существуют в центре почти всех галактик во Вселенной, а некоторые появились только в 690 миллионов лет после Большого Взрыва. С космической точки зрения это практически мгновение ока — этого недостаточно, чтобы звезда родилась, схлопнулась в черную дыру и съела достаточно массы, чтобы стать сверхмассивной.

Одно из давних объяснений этой загадки, известное как теория прямого коллапса, предполагает, что древние черные дыры каким-то образом стали большими без помощи стадии сверхновой. Теперь пара исследователей из Западного университета в Онтарио, Канада — Шантану Басу и Арпан Дас — нашли одни из первых надежных наблюдательных доказательств теории. Как они описали в конце прошлого месяца в The Astrophysical Journal Letters , они сделали это, глядя на квазары.

Квазары — это сверхмассивные черные дыры, которые непрерывно всасывают или накапливают большое количество материи; они получили специальное название, потому что вещество, падающее в них, испускает яркое излучение, благодаря чему их легче наблюдать, чем многие другие виды черных дыр. Распределение их масс — сколько больше, сколько меньше, а сколько находится между ними — является основным показателем того, как они образовались.

Проанализировав эту информацию, Басу и Дас предположили, что сверхмассивные черные дыры могли возникнуть в результате цепной реакции. Они не могут точно сказать, откуда взялись семена черных дыр, но думают, что знают, что произошло потом. Каждый раз, когда одна из зарождающихся черных дыр аккрецировала вещество, она излучала энергию, которая нагревала соседние газовые облака. Облако горячего газа разрушается легче, чем холодное; с каждым большим приемом пищи черная дыра будет излучать больше энергии, нагревая другие газовые облака и так далее. Это согласуется с выводами нескольких других астрономов, которые считают, что популяция сверхмассивных черных дыр росла экспоненциально в зачаточном состоянии Вселенной.

Но в какой-то момент цепная реакция остановилась. По мере того как все больше и больше черных дыр, звезд и галактик рождались и начинали излучать энергию и свет, газовые облака испарялись. «Общее поле излучения во Вселенной становится слишком сильным, чтобы позволить такому большому количеству газа напрямую коллапсировать», — говорит Басу. «Итак, весь процесс подходит к концу». Он и Дас подсчитали, что цепная реакция длилась около 150 миллионов лет.

Общепринятый предел скорости роста черной дыры называется скоростью Эддингтона и представляет собой баланс между внешней силой излучения и внутренней силой гравитации. Этот предел скорости теоретически может быть превышен, если материя разрушается достаточно быстро; Модель Басу и Даса предполагает, что черные дыры аккрецировали материю в три раза быстрее, чем Эддингтон, пока шла цепная реакция. Для астрономов, регулярно имеющих дело с числами в миллионах, миллиардах и триллионах, три — это довольно скромно.

Как образуются черные дыры?

Сверхмассивные черные дыры выбрасываются наружу в виде сферической формы, как показано здесь в представлении этого художника о черной дыре.
(Изображение предоставлено: NASA/JPL-Caltech)

В черных дырах есть нечто завораживающее. Может быть, это невидимые звери, скрывающиеся в космосе, которые иногда разрывают пролетающие звезды пополам и разбрасывают их останки. Как бы то ни было, эти странные космические объекты продолжают очаровывать как ученых, так и обычных людей.

Но откуда берутся черные дыры? Как они формируются и что дает им такую ​​страшную разрушительную силу? [Самые далекие идеи Стивена Хокинга о черных дырах]

Прежде чем мы сможем ответить на этот вопрос, мы должны задать еще более фундаментальный вопрос: что такое черная дыра? «По сути, это объект или точка в пространстве, где гравитационное притяжение настолько сильно, что ничто не может от него ускользнуть», — рассказала Live Science астрофизик Нета Бахколл из Принстонского университета в Нью-Джерси. Всасываются даже световые волны, поэтому черные дыры черные.

Эти причудливые объекты возникают, как фениксы, появляющиеся из пепла мертвых звезд. Когда массивные звезды достигают конца своей жизни, водород, который они превращали в гелий, почти истощается. Таким образом, эти звезды-монстры начинают сжигать гелий, превращая оставшиеся атомы в еще более тяжелые элементы, вплоть до железа, синтез которого больше не дает достаточно энергии, чтобы поддерживать внешние слои звезды, по данным Технологического университета Суинберна в Австралийском центре астрофизики и суперкомпьютеров. . Эти верхние слои разрушаются внутрь, а затем взрываются мощным и ярким взрывом, называемым сверхновой.

Тем не менее, небольшая часть звезды осталась позади. Уравнения общей теории относительности Альберта Эйнштейна предсказывают, что если масса этого остатка примерно в три раза превышает массу земного солнца, мощная гравитационная сила остатка звезды сокрушит все остальное, а материал, из которого он сделан, будет раздавлен в бесконечно малую точку с бесконечной плотностью. в НАСА. Известные законы физики на самом деле не могут справиться с такими умопомрачительными бесконечностями. «В какой-то момент они ломаются, и мы действительно не знаем, что происходит», — сказал Бахколл. [8 способов увидеть теорию относительности Эйнштейна в реальной жизни]

Если этот звездный остаток одинок, черная дыра, как правило, будет просто сидеть там, ничего не делая. Но если газ и пыль окружают объект, этот материал будет всасываться в пасть черной дыры, создавая яркие вспышки света по мере того, как газ и пыль нагреваются, завихряясь, как вода, стекающая по канализации. По словам Бахколла, черная дыра включит эту массу в свою собственную, что позволит объекту расти.

Если две черные дыры встретятся, мощная гравитация каждой из них притянет другую, и они будут становиться все ближе и ближе, вращаясь вокруг друг друга. Их совокупная масса будет сотрясать ткань близлежащего пространства-времени, посылая гравитационные волны. В 2015 году астрономы обнаружили такие гравитационные волны с помощью лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO), как ранее сообщал Live Science.

«Это был первый раз, когда мы действительно смогли увидеть черные дыры и подтвердить, что они существуют», — сказал Бахколл, добавив, что результаты также являются прекрасным подтверждением предсказательных уравнений Эйнштейна.

Ученые уже находили косвенные доказательства существования черных дыр, наблюдая звезды в центре нашей галактики Млечный Путь, вращающиеся вокруг гигантского невидимого объекта, сообщает Universe Today. По словам Бахколла, как образуются такие сверхмассивные черные дыры, масса которых может в миллиарды раз превышать массу нашего Солнца, остается открытым вопросом.

Исследователи считают, что эти сверхмассивные черные дыры когда-то были намного меньше, формируясь как черные дыры более скромных размеров в первые дни существования нашей Вселенной. В течение космологического времени эти объекты поглощали газ и пыль и сливались друг с другом, чтобы расти, превращаясь в колоссальных монстров. Но многие детали этой истории остаются неясными, сказал Бахколл.

Астрономы наблюдали объекты, называемые квазарами, которые светятся ярче, чем тысячи галактик, вместе взятых, и, как считается, питаются сверхмассивными черными дырами, поглощающими материю. По словам Бахколла, квазары были замечены еще в первый миллиард лет после Большого взрыва, когда сформировалась наша Вселенная, что заставило ученых ломать голову над тем, как такие огромные объекты могли образоваться так быстро.

«Это действительно подчеркивает и усложняет вопрос», — сказал Бахколл, и он остается очень активной темой исследований.

Первоначально опубликовано на Live Science .

Адам Манн — независимый журналист с десятилетним стажем, специализирующийся на астрономии и физике. Он имеет степень бакалавра астрофизики Калифорнийского университета в Беркли. Его работы публиковались в New Yorker, New York Times, National Geographic, Wall Street Journal, Wired, Nature, Science и многих других изданиях. Он живет в Окленде, штат Калифорния, где любит кататься на велосипеде.