Опасность
Когда у звезды заканчивается топливо, она может запустить процесс саморазрушения. Если ее масса была втрое больше солнечной, то оставшееся ядро станет нейтронной звездой или белым карликом. Но более крупная звезда трансформируется в черную дыру.
Зависимость между массой черной дыры и массой балджа
Такие объекты маленькие, но обладают невероятной плотностью. Представьте, что перед вами объект, размером в город, но его масса в три раза больше солнечной. Это создает невероятно огромную гравитационную силу, которая притягивает пыль и газ, увеличивая ее размеры. Вы удивитесь, но в Млечном Пути может располагаться несколько сотен миллионов звездных черных дыр.
Интересные факты
- Если вы оказались внутри черной дыры, то гравитация будет вас растягивать. Но бояться не нужно, ведь вы умрете еще до того, как достигнете сингулярности. Исследования 2012 года предположили, что квантовые эффекты превращают горизонт событий в огненную стену, сделавшую из вас кучку пепла.
- Черные дыры не «всасывают». Этот процесс вызывается вакуумом, которого нет в этом образовании. Так что материал просто падает.
- Первой черной дырой стал Лебедь Х-1, найденный ракетами со счетчиками Гейгера. В 1971 году ученые получили сигнал радиоизлучения от Лебедя Х-1. Этот объект стал предметом спора между Кипом Торном и Стивеном Хокингом. Последний считал, что это не черная дыра. В 1990 году он признал свое поражение.
- Крошечные черные дыры могли появиться сразу после Большого Взрыва. Стремительно вращающееся пространство сжимало некоторые области в плотные дыры, с меньшей массивностью, чем у Солнца.
- Если звезда подойдет слишком близко, то ее может разорвать.
- По общим подсчетам, существует примерно до миллиарда звездных черных дыр с массой втрое больше солнечной.
- Если сравнивать теорию струн и классическую механику, то первая порождает больше разновидностей массивных гигантов.
Как обнаружить черную дыру
В конце своей жизни массивные звезды могут превращаться в черные дыры. И на этапе, когда только пытались найти первые черные дыры, возник вопрос: как их можно обнаружить. Первая идея была такой: звезды, особенно массивные, нередко рождаются парами. Одна из таких звезд превращается в черную дыру, и мы перестаем ее видеть. При этом она продолжает существовать. Предполагалось, что мы сможем увидеть вращение соседней звезды вокруг этого невидимого объекта, при помощи вычислений измерить его массу и обнаружить, что в этом месте находится черная дыра.
Сергей Попов рассказывает, что исторически это был первый предложенный способ поиска. С 60-х годов ученые пытались искать их по такому методу, но ничего не обнаружили. Последние пару лет стали появляться возможные кандидаты на звание черных дыр, но ученые пока не уверены, что в паре с обычными звездами находятся именно они.
Визуализация черной дыры
(Фото: NASA)
Если опять обратиться к черной дыре, которая соседствует со звездой, то вещество с обычной звезды может перетекать в дыру. Черная дыра своей гравитацией будет засасывать это вещество. Если представить, что в нее одновременно кинули два камня, они могут столкнуться над горизонтом на скорости почти равной скорости света. При таком столкновении выделится много энергии, которую можно заметить.
Но в звездах не камни, а газ. Когда разные слои газа трутся друг о друга, они нагреваются до миллионов градусов, и это тепло можно увидеть. С помощью такого способа в конце 60-х — начале 70-х годов, когда стали запускать первые рентгеновские детекторы в космос, открыли и первые черные дыры.
Визуализация черной дыры рядом со звездой
(Фото: NASA)
В начале 60-х годов стало ясно, что есть яркие астрономические объекты — квазары. Дословно— «похожий на звезду радиоисточник». Это активные ядра галактик на начальном этапе развития, в центре которых находятся сверхмассивные черные дыры. Обнаружить их можно даже на очень отдаленных расстояниях. В ходе изучения квазаров стало ясно, что это небольшой источник, который находится в центре далекой галактики и при этом испускает много энергии. Попов рассказывает, что когда ученые открывают квазар, они уверены, что там «сидит» сверхмассивная черная дыра. Сейчас это самый массовый способ открытия черных дыр.
Визуализация квазара
(Фото: NASA)
Почти все массивные звезды превращаются в черные дыры, но не все они находятся в двойных системах, или у них нет перетекания. В таком случае дыры ищут другим способом. Сергей рассказывает, что черная дыра сильно искажает пространство-время вокруг себя, но тут важна не столько масса, сколько компактность. Понять это легко, достаточно представить острый предмет. Это предмет с очень маленькой площадью. Если просто ткнуть куда-то пальцем, нельзя проткнуть поверхность, а если с такой же силой надавить на иголку, то проткнется палец, которым на нее давят. Так вот маленькие объекты при той же массе сильнее искривляют пространство-время вокруг себя. Такой эффект называется гравитационным линзированием.
Индустрия 4.0
Как полететь на Луну: самые популярные поисковые запросы на тему космоса
Ученые наблюдают за звездой и вдруг замечают, что ее блеск растет, а потом совершенно симметрично спадает обратно. Со звездой ничего не произошло, но между нами и звездой пролетел массивный объект. И этот массивный объект, искажая пространство-время, собрал световые лучи.
Визуализация черной дыры
(Фото: NASA)
Поэтому кажется, будто возрастает светимость звезды, а на самом деле просто больше ее света было собрано и попало к нам. Звезда с массой десять масс Солнца светила бы очень заметно, ученые бы ее не пропустили. А в таких наблюдениях появляется абсолютно темный объект с массой примерно десять солнечных. Что это может быть? Только черная дыра.
Если есть пара черных дыр, то, сливаясь, они будут порождать гравитационно-волновой всплеск. И в 2015 году впервые были обнаружены такие всплески гравитационного излучения. Это последний на сегодняшний день хороший способ поиска черных дыр.
Визуализация двух черных дыр
(Фото: NASA)
Теория черных дыр
Черные дыры — чрезвычайно массивные объекты, но охватывают сравнительно скромный объем пространства. Кроме того, обладают огромной гравитацией, не позволяя объектам (и даже свету) покинуть их территорию. Однако, напрямую увидеть их невозможно. Исследователям приходится обращаться к излучению, появляющемуся, когда черная дыра питается.
Черные дыры в сливающихся галактиках
Интересно, но бывает так, что вещество, направляющееся к черной дыре, отскакивает от горизонта событий и выбрасывается наружу. При этом формируются яркие струи материала, передвигающиеся на релятивистских скоростях. Эти выбросы можно зафиксировать на больших дистанциях.
Черные дыры – удивительные объекты, в которых сила тяжести настолько огромна, что может сгибать свет, деформировать пространство и искажать время.
В черных дырах можно выделить три слоя: внешний и внутренний горизонт событий и сингулярность.
Горизонт событий черной дыры – граница, где у света пропадают все шансы на бегство. Как только частичка переходит этот рубеж, она не сможет уйти. Внутренняя область, где находится масса черной дыры, называется сингулярностью.
Черная дыра Млечного Пути может являться источником высокоэнергетических нейтрино
Если мы говорим с позиции классической механики, то ничто не может покинуть черную дыру. Но квантовая вносит свою поправку. Дело в том, что у каждой частицы есть античастица. Они обладают одинаковыми массами, но разным зарядом. Если пересеклись, то могут аннигилировать друг друга.
Когда такая пара возникает за пределами горизонта событий, то одна из них может втянуться, а вторая оттолкнется. Из-за этого горизонт способен уменьшиться, а черная дыра разрушиться. Ученые все еще пытаются изучить этот механизм.
Наиболее известные черные дыры
Как выглядит черная дыра
Технически, это картина тени черной дыры: в частности, сверхмассивной черной дыры — монстра с 6,5 миллиарда солнечных масс в 55 миллионах световых годах от Земли — в центре галактики Messier 87. Черные дыры захватывают все, что падает внутрь, включая свет, поэтому они черные. В некотором смысле, они принципиально невидимые, односторонние космические люки, ведущие… непонятно куда. Но из-за того, как они деформируют пространство, они оставляют темный силуэт на пылающей, перегретой материи, которая их окружает. Именно эту сцену запечатлел и явил миру EHT.
C 1960-х годов, когда косвенные астрономические свидетельства и прорывы в теоретической физике сделали существование черных дыр практически бесспорным, эти объекты оказались в подвешенном состоянии: они были наиболее вероятным объяснением всевозможных необъяснимых явлений, но увидеть их не представлялось возможным.
В конце 1990-х годов все изменилось: астрономы по всему миру начали строить мощные высокочастотные радиообсерватории на возвышенностях Гавайев, Мексики, Чили и Южного полюса. Астрофизики-теоретики рассчитали, что теоретическое объединение этих телескопов с использованием метода под названием интерферометрия со сверхдлинными базами может позволить им увидеть тени сверхмассивных черных дыр, которые были достаточно большими и близкими к Земле. Самым большим призом всегда была черная дыра Стрелец A*, в четыре миллиона солнечных масс в центре Млечного Пути. Стрелец А* остается невидимым — по крайней мере, для публики. Но M87, единственная другая известная черная дыра в пределах досягаемости EHT, теперь попала на фото.
Обычно крупные научные открытия вроде такого быстро находят свой путь в массы, но в этот раз астрономы показали удивительную скрытность. Франс Кордова, директор National Science Foundation — которая вложила 28 миллионов долларов в ETH за долгие годы — впервые увидела снимок сегодня утром на пресс-конференции. Он растрогал ее до слез.
NSF и другие финансирующие учреждения пообещали, что результат будет «ошеломляющим» — и он таким и получился. Все-таки, мы получили первое прямое доказательство существования горизонта событий, определяющего границу черной дыры. Но любой, кто надеялся, что этот первый снимок разрушит железную строгость общей теории относительности Эйнштейна, разочаровался: черная дыра выглядит в точности так, как ее рисовали сто лет.
Но этот первый снимок — только начало. Со времени наблюдения 2017 года массив EHT уже вырос в размерах и остроте, к нему присоединился новый телескоп и присоединится еще один, а на каждом из объектов размещается более мощное оборудование для цифровой обработки сигналов. В будущем к EHT присоединятся все возможные телескопы для наблюдения M87, Стрельца А* и других черных дыр, одновременно и в разных диапазонах длин волн — радио, рентгеновском, гамма-лучевом, инфракрасном и оптическом.
Стоит также отметить, что за два часа после пресс-конференции в Интернете появилось не менее шести научных работ на тему наблюдения черной дыры. Они почти наверняка содержат новые догадки и вопросы, которые мы попытаемся нащупать и обнародовать в ближайшее время. Но задумайтесь на минутку вот о чем: разве не странно и не удивительно, что разумные двуногие, использующие инструменты в маленьком мире на задворках Солнечной системы, сумели каким-то образом превратить свою планету в телескоп и сфотографировать «выход» из Вселенной?
Давайте обсудим в нашем чате в Телеграме.