Что такое черная дыра - объяснение самого загадочного объекта Вселенной, 9 фото и текст 190482 Когда черные дыры сталкиваются, ткань пространства-времени звенит, как

Что такое черная дыра - объяснение самого загадочного объекта Вселенной, 9 фото и текст

11

Когда черные дыры сталкиваются, ткань пространства-времени звенит, как колокол.

Черная дыра - это область пространства-времени, где гравитация настолько сильна, что ничто, даже обладая огромной энергией, не может ее покинуть. Ученые считают, что внутри горизонта событий гравитация превосходит все другие силы природы.

Почему образуются черные дыры?

Черные дыры возникают, когда огромное количество материи сжимается в очень малом пространстве. Если втиснуть огромное количество материи в пространство небольшого радиуса, то можно создать настолько глубокий гравитационный колодец, что из него уже ничто не сможет выбраться. Это может произойти множеством способов, включая гигантский взрыв умирающей звезды или коллапс первозданного водорода в сверхмассивные черные дыры в центре большинства крупных галактик. Последние, называемые активными галактическими ядрами, образуются одновременно с галактиками, которые скапливаются вокруг них. В нашей галактике Млечном Пути находится своя сверхмассивная черная дыра под названием Стрелец А*.
Насколько велика черная дыра?

Звезды главной последовательности (такие, как наше Солнце) составляют около 90% звезд на небе. Когда умирают звезды главной последовательности, масса которых в восемь раз превышает массу Солнца, то они имеют тенденцию взрываться и превращаться в красных гигантов, которые в конечном итоге создают планетарную туманность и выбрасывают свои внешние слои. Взрыв оставляет после себя голое звездное ядро, называемое белым карликом, размером примерно с Землю, но с массой в сотни тысяч раз большей, чем у Солнца. Существуют звезды, масса которых в восемь-двадцать раз превышает массу Солнца. Они имеют тенденцию взрываться в виде сверхновой, а затем, сгорая, превращаются в нейтронную звезду, что и приводит к появлению таких экзотических звездных объектов, как магнетары и пульсары. Но если оставшееся после всех "фейерверков" ядро будет в три или четыре раза больше массы нашего Солнца, то с большой вероятностью оно коллапсирует в черную дыру "звездной массы".

Визуализация аккреционного диска черной дыры.
Сверхмассивные черные дыры имеют массу в миллионы или даже миллиарды раз больше нашего Солнца. Почему они такие огромные? Одна из главных гипотез — прямой коллапс из "первичного глюонного супа", заполнявшего раннюю Вселенную. Другая гипотеза - столкновения сотен или тысяч черных дыр, которые могли сформироваться при коллапсе целого звездного скопления, большинство звезд которого превратились в зрелые черные дыры звездной массы.

Как вы уже знаете, существуют черные дыры, образовавшиеся в результате гибели звезд, масса которых в двадцать раз превышает массу нашего Солнца, а также существуют сверхмассивные черные дыры, в миллионы раз массивнее Солнца. Черная дыра может стать больше и массивнее, поскольку она поглощает материю, запертую в ее гравитационном колодце. Но одна тенденция, которую ученые все еще пытаются объяснить, заключается в том, что в космосе не удалось найти черные дыры «промежуточной» массы. По оценкам НАСА, внутри нашего Млечного Пути существуют десятки миллионов, а возможно, и миллиарды черных дыр. А ведь мы всего лишь одна галактика из миллионов подобных в этой части Вселенной.

Однако за всю историю астрономии мы обнаружили лишь небольшое количество объектов-кандидатов, которые могут оказаться теми неуловимыми черными дырами промежуточного размера, которые так хотелось бы найти и изучить ученым. Где находятся черные дыры промежуточной массы? Мы просто не знаем. Однако ученые охотятся за промежуточными черными дырами с помощью таких инструментов, как "Sloan Digital Sky Survey", который может обнаруживать определенный тип света, высвобождаемый, когда черные дыры поглощают что-то.

Как астрономы находят черные дыры?

Поскольку материя и даже свет, не могут покинуть черную дыру, то они невидимы. Однако мы можем видеть "материал", падающий в них. Черные дыры пожирают все, что пересекает их горизонт событий, включая целые звездные системы. Например, Стрелец А* (Sgr A*) поглощал звезду, когда ученые впервые начали наблюдать за ним напрямую с помощью радиотелескопов. Материя, влетающая в черную дыру, движется так быстро, что нагревается и начинает светиться, а звезды, которые поглощает черная дыра, светятся с момента своего рождения. Таким образом, при длительных съемках мы можем увидеть траектории движения света от падающего вещества, окружающего черную дыру.
Еще один способ обнаружения черных дыр - то, как они искажают свет вокруг себя. Черные дыры имеют настолько сильную гравитацию, что искривляют траектории всего проходящего рядом с ними, в том числе и света. Это создает характерный эффект линзирования, который искажает и увеличивает объекты за черной дырой с точки зрения зрителя. Линзирование может даже переворачивать предметы, например, когда вы смотрите на свое перевернутое отражение в ложке. Гравитационное линзирование позволило астрономам находить не только сами черные дыры, но и небольшие объекты глубокого космоса за черными дырами, которые мы никогда не смогли бы увидеть без этого характерного оптического искажения.

Гравитационное линзирование искажает свет, проходящий мимо черной дыры, изменяя вид небесных объектов для наблюдателя.
Гравитационные волны также являются важным инструментом для идентификации черных дыр. Теория относительности Эйнштейна описывает Вселенную, в которой все, даже самое маленькое, оставляет за собой своего рода гравитационную рябь при движении в пространстве-времени. Кроме того, как волны в воде, они становятся больше по мере того, как распространяются все дальше и дальше. Эта рябь называется гравитационными волнами. Подобно звуковому удару, их можно обнаружить с помощью интерферометра — измерительного устройства, в котором используются два идеально откалиброванных лазера, лучи которых идеально синхронизированы по фазе. Гравитационные волны от далеких черных дыр, проходящие через Землю, заставят один лазер слегка задрожать в несколько ином времени, чем другой лазер, нарушив при этом их фазу.

В 2015 году Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) обнаружила невидимые колебания энергии гравитационных волн, создаваемых парой черных дыр, сливающихся на расстоянии почти миллиарда световых лет от нас. Это открытие привело к присуждению Нобелевской премии по физике в 2017 году.

LIGO обнаружил регулярные колебания в данных радиотелескопа сорокалетней давности.
Когда массивные объекты, такие как черные дыры, сталкиваются, они врезаются друг в друга с такой силой, что ткань времени-пространства вибрирует, заставляя ее звенеть, как колокол. Когда вновь слившаяся черная дыра приходит в более стабильное состояние, она искажает вокруг себя пространство-время, создавая легко узнаваемый узор, подобный тому, что наблюдается на границах звуковой ударной волны. Это "затухание" создает четкое, узнаваемое колебание гравитации. LIGO использовала эхо-сигналы, чтобы идентифицировать гравитационные волны, возникающие в результате столкновения черных дыр, а затем примерно через восемнадцать месяцев - волны, созданные столкновением двух нейтронных звезд.

Какая черная дыра была открыта первой?

Первой признанной черной дырой была Лебедь Х-1. Она была обнаружена во время полета ракеты в 1971 году. Лебедь Х-1 является одной из самых сильных источников рентгеновского излучения, обнаруживаемых с Земли. Звездный ветер от ближайшей синей звезды-сверхгиганта вливается в черную дыру, формируя аккреционный диск вдоль оси вращения черной дыры. Часть этого аккрецированного материала затем выбрасывается релятивистскими струями, которые излучают всплески рентгеновских лучей с ее полюсов.

По текущим оценкам, масса Лебедя X-1 составляет 21,2 солнечных массы, и все это вместилось в сферу шириной с Москву. При этом горизонт событий Лебедя X-1, по-видимому, находится на расстоянии около 300 км от ее центра масс.

Что мы знаем про горизонт событий?

Горизонт событий возле черной дыры, также называемый радиусом Шварцшильда, — это радиус, в пределах которого ее гравитация превосходит все другие силы природы. Все что попадает в горизонт событий черной дыры уже не может вырваться, потому что гравитация там невероятно сильна и вся материя направляется в центр черной дыры. Горизонт событий — это нестабильная гравитационная граница, похожая на точку Лагранжа L2, где мы размещаем наши космические телескопы: гравитационный вихрь, который отбрасывает материю от себя, а не накапливает ее, как астероиды Юпитера.

Части чёрной дыры, включая внутреннюю стабильную орбиту, аккреционный диск, горизонт событий, релятивистскую струю, сингулярность и фотонную сферу.
Законы физики предсказывают, что существует радиус, увеличивающийся с ростом массы черной дыры, где существуют совсем иные математические законы. Величины в физических уравнениях меняют знаки на этом радиусе с отрицательного на положительный или устремляются к бесконечности. Одной из величин, которая ведет себя таким образом, является вектор скорости всего, что пытается покинуть черную дыру: начиная с горизонта событий, все траектории направлены в центр черной дыры.

Давно ведутся споры, может ли что-нибудь вылететь из гравитационного колодца черной дыры, если величина меняется с отрицательного на положительный. Большинство ученых считают, что внутри горизонта событий материя и даже свет не может вырваться. За горизонтом событий из гравитационного колодца черной дыры можно выбраться "обычными средствами", например, с помощью ракеты.

Однако этот тонкий топологический сдвиг в математике имеет более широкие последствия. Внутри горизонта событий все траектории направлены в сторону черной дыры, но ничто внутри нее не может повлиять на что-либо за пределами горизонта событий. Информация о материи, попадающей в черную дыру, теряется, когда она пересекает горизонт событий.

Какие прямые доказательства существования черных дыр мы имеем?

Многие, если не большинство галактик могут похвастаться тем, что у них в ядре имеется сверхмассивная черная дыра. В нашем Млечном Пути также есть черная дыра. Сверхмассивная черная дыра внутри нашего Млечного Пути получила название Стрелец А*. Она по приблизительным подсчетам имеет массу примерно в 4 300 000 раз больше массы нашего Солнца. В мае 2022 года астрономы, обслуживающие проект Event Horizon Telescope (EHT), опубликовали первое в истории прямое изображение черной дыры Стрелец А*.

Этот пузатый красновато-оранжевый пончик - первое прямое изображение сверхмассивной черной дыры Стрельца А*, расположенной в центре Млечного Пути.
Чтобы обнаружить черную дыру, они использовали EHT - глобальную группу радиотелескопов с эффективной апертурой размером с Землю. Один из телескопов, участвующих в работе EHT, о котором здесь идет речь, - это Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA), один из мощных телескопов Европейской южной обсерватории в Чилийских Андах.

Несколько телескопов объединили силы, чтобы создать общий телескоп с огромной эффективной апертурой.
Это изображение было сделано на основе предыдущей работы того же коллектива EHT, который двумя годами ранее выпустил первое в истории прямое изображение черной дыры M87*, которая находится в центре Мессье 87. Для справки, Мессье 87 — близлежащая сверхгигантская эллиптическая галактика, одна из крупнейших в ближней Вселенной.

Слева: M87*, с наложенным диаметром орбиты Плутона и расстоянием до Вояджера-1. Справа: Стрелец A* (Sgr A*), с наложенным диаметром Солнца и орбитальным радиусом Меркурия.
Эти изображения показывают нам силуэты самих черных дыр — жутких пустот, чернее ночи, идеально круглых, искажающих все вокруг себя. Sgr A* было труднее обнаружить, чем M87*, потому что Sgr A* намного меньше, чем M87*. Радиус M87* такой же широкий, как расстояние от «Вояджера-1» до Земли. Sgr A*, для сравнения, поместился бы на орбите Меркурия, аккреционного диска и всего остального.

Где находится ближайшая к Земле черная дыра?

Ближайшая к Земле черная дыра может находиться всего в 1500 световых годах от Солнца. Там находится V723 Единорога — переменная звезда в созвездии Единорога, и она действительно может быть единорогом. В 2021 году астрономы определили Единорога как бинарную систему с черной дырой, которая находится ближе всего к Земле. Но имея всего три солнечных массы и радиус Шварцшильда всего 9 км, она также является одной из самых маленьких черных дыр из когда-либо обнаруженных.