Что такое чёрная дыра?

Чёрная дыра
Чёрная дыра промежуточной массы в представлении художника. Авторы и права: Alain Riazuelo / CC BY-SA 2.5.

Чёрные дыры – одни из самых странных и удивительных объектов космоса. Они обладают чрезвычайной плотностью с настолько сильным гравитационным притяжением, что даже свет не может избежать его, если проходит достаточно близко.

Альберт Эйнштейн впервые предсказал существование чёрных дыр в 1916 году в его общей теории относительности. Термин “чёрная дыра” был введён много лет спустя, в 1967, американским астрономом Джоном Уилером. После десятилетий, когда чёрные дыры были известны только как теоретические объекты, первая из когда-либо обнаруженных физических чёрных дыр была замечена в 1971 году.  

После этого, в 2019 коллаборация телескопа EHT (the Event Horizon Telescope) выпустила первое из когда-либо полученных изображений чёрной дыры. Телескоп EHT увидел чёрную дыру в центре галактики M87, когда исследовал горизонт событий, или область, минув которую, ничто не может покинуть чёрную дыру. Изображение отображает стремительную потерю фотонов (частиц света). Также, оно открывает совершенно новую область исследования чёрных дыр, теперь астрономы знают, как чёрные дыры выглядят.

На сегодняшний день астрономы выявили три типа чёрных дыр: чёрные дыры звёздной массы, сверхмассивные чёрные дыры и чёрные дыры с промежуточной массой.

Чёрные дыры звёздной массы – маленькие, но опасные

Когда звезда сжигает последнее топливо, объект может коллапсировать либо упасть сам на себя. Для меньших звёзд (вплоть до масс порядка трёх солнечных масс), новое ядро станет нейтронной звездой или белым карликом. Когда же коллапсирует звезда большей массы, она продолжает сжиматься и образует чёрную дыру звёздной массы.

Чёрные дыры, образованные в результате коллапса отдельных звёзд, относительно малы, но невероятно плотные. Один из таких объектов упаковывает более трёх масс Солнца в диаметр, сопоставимый с размерами одного города. Это приводит к сумасшедшей величине гравитационной силы, воздействующей на объекты вокруг. Далее чёрные дыры звёздной массы поглощают пыль и газ из окружающих галактик, что способствует увеличению из размеров.

Фото чёрной дыры
C помощью сети радиотелекопов EHT, учёным удалось сфотографировать чёрную дыру в галактике M87. Авторы и права: NASA / EHT Collaboration.

Согласно Гарвард-Смитсоновскому центру астрофизики, “Млечный Путь содержит несколько сотен миллионов” чёрных дыр звёздной массы.

Сверхмассивные чёрные дыры – рождение гигантов

Вселенная заполнена маленькими чёрными дырами, но их кузены, сверхмассивные чёрные дыры преобладают. Эти гигантские чёрные дыры в миллионы или даже в триллионы раз массивнее Солнца, но приблизительно одного с ним диаметра. Считается, что такие чёрные дыры находятся в центре практически любой галактики, включая Млечный Путь. Учёные не знают точно, как рождаются такие большие чёрные дыры. Однажды сформировавшись, эти гиганты собирают массу из пыли и газа вокруг –  материал, который в центрах галактик имеется в изобилии и позволяет им расти до ещё более невероятных размеров.

Сверхмассивные чёрные дыры, возможно, появляются вследствие слияния сотен или тысяч крошечных чёрных дыр. Большие газовые облака также могут быть за это ответственны, когда коллапсируют и стремительно аккрецируют массу. Третьим вариантом является коллапс звёздного кластера, группы вместе падающих звёзд. Четвёртый вариант: сверхмассивные чёрные дыры могли бы возникать из больших кластеров тёмной материи. Это субстанция, которую мы можем наблюдать через гравитационное действие на другие объекты; однако, мы не знаем, из чего тёмная материя состоит, потому что она не излучает свет и не наблюдается напрямую.

Чёрные дыры средней массы – застрявшие по середине

Учёные считали, что чёрные дыры доходят только до малых или больших размеров, но недавние исследования выявили возможность существования чёрных дыр промежуточных размеров (InterMidiate Black Holes – IMBHs). Такие объекты могут сформироваться, когда звёзды в кластере сталкиваются в цепной реакции. Несколько таких IMBHs, сформированных в одной области, должны в конце концов объединиться вместе в центре галактики и создать сверхмассивную чёрную дыру.

Галактика M82
Галактика Мессье 82, в которой была обнаружена чёрная дыра промежуточной массы M82 X-1. Авторы и права: NASA / H. Feng et al.

В 2014 году астрономы нашли объект, оказавшийся чёрной дырой промежуточной массы, в рукаве спиральной галактики.

“Астрономы очень усердно искали такие чёрные дыры средней массы”, – говорит соавтор исследования Тим Робертс из Даремского университета в Соединенном Королевстве. Он утверждает: “Догадки об их существовании были, но IMBHs вели себя, словно давно потерянный родственник, который не заинтересован в том, чтобы его нашли”.

В более новом исследовании, 2018 года, предполагается, что эти чёрные дыры могут существовать в центрах карликовых галактик (или, очень маленьких галактик). Наблюдения 10 таких галактик (пять из которых были неизвестны науке до этого исследования) выявили активность рентгеновского излучения – обычно свойственную для чёрных дыр – приводя к предположению о присутствии чёрных дыр от 36 000 до 316 000 солнечных масс. Эта информация была получена в данных обзора Sloan Digital Sky Survey, в результате которого проанализировано около миллиона галактик и задетектирован тот вид света, который часто наблюдается от чёрных дыр, собирающих осколки материи поблизости.

Как чёрные дыры выглядят?

Чёрные дыры состоят из трёх “слоёв”: внешнего и внутреннего горизонта и сингулярности.

Горизонт событий чёрной дыры – это граница вокруг “рта” чёрной дыры, пройдя которую, свет не может уже ее покинуть. Гравитация постоянна на всём горизонте событий.

Внутренний регион чёрной дыры, где находится масса объекта, известен как сингулярность, единственная точка в пространстве-времени, где сконцентрирована вся масса чёрной дыры.

Фото чёрной дыры
Первые прямые визуальные доказательства существования сверхмассивной чёрной дыры в центре эллиптической галактики Мессье 87 и её тени. Граница чёрной дыры – горизонт событий – примерно в 2,5 раза меньше, чем тень, которую она отбрасывает. Авторы и права: EHT Collaboration.

Учёные не могут видеть чёрные дыры так, как могут видеть звёзды и другие объекты в космосе. Вместо этого, астрономы должны полагаться на детектирование излучения чёрной дыры, испускаемое, когда пыль и газ вращаются вокруг неё. Но сверхмассивные чёрные дыры, находящиеся в центре галактики, могут быть окутаны густой пылью и газом, которые могут блокировать испускаемый свет.

Иногда, по мере того, как материя вращается и падает навстречу чёрной дыре, она отталкивается от горизонта событий назад и выбрасывается наружу, вместо того чтобы быть затянутой в пасть. Возникают яркие джеты материи, путешествующие на скоростях, близких к световым. Хотя чёрная дыра остаётся невидимой, эти мощные джеты могут быть замечены с огромных дистанций.

Изображение чёрной дыры в галактике M87, полученное телескопом EHT (выпущенное в 2019 году) было экстраординарным трудом, потребовавшим два года исследований, даже после того, как изображение было получено. Это всё потому, что коллаборация телескопа, которая включает в себя многие обсерватории по всему миру, собрала астрономический объём данных, настолько большой, что он не мог быть передан с помощью интернета.

Аккреционный диск
Мощная гравитация чёрной дыры изменяет траекторию по которой движется свет в разных частях аккреционного диска. Авторы и права: NASA’s Goddard Space Flight Center / Jeremy Schnittman.

Со временем исследователи планируют получить изображения других чёрных дыр и создать репозиторий того, как выглядят эти объекты. Следующей целью, вероятно, является Стрелец А* – чёрная дыра в центре нашей галактики Млечный Путь. Стрелец А* интригует, потому что она тише, чем ожидалось, что возможно происходит из-за магнитных полей, которые душат её активность, – так сообщается в докладе исследования 2019 года. Другое исследование этого года показало, что Стрельца А* окружает холодное газовое гало, что даёт беспрецедентное понимание того, как выглядит окружающая чёрную дыру среда.

Сияющий свет бинарной системы чёрных дыр

В 2015 году астрономы, используя обсерваторию LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), задетектировали гравитационные волны от слияния двух чёрных дыр звёздных масс.

“У нас есть ещё большее подтверждение существования чёрных дыр звёздных масс, которые обладают массой более чем 20 солнечных – о существовании этих объектов мы не знали до того, как LIGO увидел их”, – сказал представитель коллаборации LIGO Дэвид Шумахер в своем заявлении.

Наблюдения LIGO также дают информацию о направлении вращения чёрной дыры. Обращаясь одна вокруг другой, они могут вращаться (каждая вокруг своей оси) в одном направлении либо в противоположных.

Гравитационные волны
Иллюстрация гравитационных волн. Авторы и права: NASA / CXC / M.Weiss.

Существует две теории о том, как формируются бинарные системы чёрных дыр. Первая предполагает, что обе чёрные дыры в паре формируются приблизительно в одно и то же время из двух звёзд, родившихся вместе и со взрывом погибших почти одновременно. Звёзды-компаньоны имеют ту же ориентацию вращения относительно друг друга, что и две оставшиеся чёрные дыры.

По второй модели чёрные дыры в звёздном кластере смещаются вплоть до центра кластера. У таких компаньонов направления вращения должны быть случайными друг относительно друга. Наблюдения LIGO чёрных дыр-компаньонов с разными направлениями вращения дают более сильное подтверждение этой теории формирования.

“Мы начинаем набирать реальную статистику для бинарных систем чёрных дыр”, – сказал учёный LIGO Кета Кавабе из Калифорнийского технологического института, базирующегося на Хэнфордской обсерватории LIGO. “Это интересно, потому что некоторые модели образования двойных чёрных дыр в некоторой степени предпочтительнее других уже сейчас, и в будущем мы сможем ещё больше сузить этот круг”.

Странные факты о чёрных дырах

— Теория долго предполагала, что если бы вы упали в черную дыру, гравитация растянула бы вас в спагетти. Так что вы бы умерли до того, как достигли бы сингулярности. Но в 2012 году в журнале Nature опубликовали статью с предположением, что из-за квантовых эффектов горизонт событий ведет себя как стена из огня, которая бы моментально сожгла вас.

– чёрные дыры не всасывают. Всасывание обуславливается вталкиванием чего-либо в вакуум, чего чёрные дыры определённо не делают. Вместо этого, объекты падают на них, как падали бы на что-либо, что оказывает гравитационное притяжение, как Земля.

– первым объектом, который рассматривали как чёрную дыру, считается Лебедь X-1. Лебедь X-1 был в 1974 году предметом дружеского пари между Стивеном Хокингом и его коллегой физиком Кипом Торном, причём Хокинг сделал ставку на том, что источником была не чёрная дыра. В 1990 Хокинг признал поражение.

Черная дыра
Огромное количество потенциально пригодных для жизни планет теоретически может существовать на стабильных орбитах вокруг сверхмассивных чёрных дыр. Авторы и права: Paramount Pictures.

– миниатюрные чёрные дыры могли сформироваться сразу после большого взрыва. Быстро расширяющееся пространство могло сжать некоторые области в крошечные, плотные чёрные дыры с массами меньше солнечной.

– если звезда проходит слишком близко к чёрной дыре, звезда может разорваться на части.

– астрономы оценивают, что Млечный Путь содержит от 10 миллионов до 1 триллиона чёрных дыр звёздной массы, с массами приблизительно около трёх солнечных масс.

– чёрные дыры остаются хорошей пищей для научно-фантастических книг и фильмов. Посмотрите фильм “Интерстеллар”, в котором Торн во многом использовал научные знания. Работа Торна с командой специалистов по спецэффектам позволила учёным лучше понять, как могут выглядеть далёкие звёзды, если их увидеть вблизи быстро вращающейся чёрной дыры (гравитационное линзирование).


Больше информации: https://www.space.com/
Присоединяйся

Вы могли пропустить:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.