В запутанных чертогах черных дыр сталкиваются две фундаментальные теории, описывающие наш мир. Существуют ли черные дыры на самом деле? Похоже, что да. Можно ли разрешить фундаментальные проблемы, которые всплывают при ближайшем рассмотрении черных дыр? Неизвестно. Чтобы понять, с чем имеют дело ученые, придется немного погрузиться в историю изучения этих необычных объектов. И начнем мы с того, что из всех сил, которые существуют в физике, есть одна, которую мы не понимаем вовсе: гравитация.
Гравитация - точка пересечения фундаментальной физики и астрономии, граница, на которой сталкиваются две самых фундаментальных теории, описывающих наш мир: квантовая теория и теория пространства-времени и гравитации Эйнштейна, она же общая теория относительности.
Черные дыры и гравитация
Две эти теории кажутся несовместимыми. И это даже не проблема. Они существуют в разных мирах, квантовая механика описывает очень малое, а ОТО описывает очень большое.
Только когда вы доходите до чрезвычайно малых масштабов и экстремальной гравитации, эти две теории сталкиваются и каким-то образом одна из них оказывается неверной. Во всяком случае, так следует из теории.
Но есть во Вселенной одно место, где мы могли бы фактически засвидетельствовать эту проблему, а может быть даже и решить: граница черной дыры. Именно здесь мы встречаем самую экстремальную гравитацию. Только вот есть одна проблема: никто никогда не «видел» черной дыры.
Что такое черная дыра?
Представьте, что вся драма в физическом мире разворачивается в театре пространства-времени, но гравитация - это единственная сила, которая фактически изменяет театр, в котором играет.
Сила гравитации управляет Вселенной, однако может даже и не быть силой в традиционном понимании. Эйнштейн описывал ее как следствие деформации пространства-времени. И, возможно, она просто не вписывается в Стандартную модель физики частиц.
Когда очень большая звезда взрывается в конце своего срока жизни, ее самая внутренняя часть обрушивается под действием собственной гравитации, поскольку для поддержания давления, действующего против силы тяжести, больше не хватает топлива. В конце концов, гравитация все-таки способна оказывать силу, похоже на это.
Материя коллапсирует и никакая сила в природе не может оставить этот коллапс.
За бесконечное время звезда коллапсирует в бесконечно малую точку: сингулярность, либо давайте назовем ее черной дырой. Но за конечное время, конечно, звездное ядро коллапсирует в нечто, имеющее конечные размеры, и все еще будет обладать огромной массой в бесконечно малой области. И тоже будет называться черной дырой.
Черные дыры не засасывают все вокруг
Примечательно то, что идея того, что черная дыра неизбежно засосет все в себя, - неверна
На самом деле, независимо от того, вращаетесь вы вокруг звезды или черной дыры, сформировавшейся из звезды, это не имеет значения, если масса остается прежней. Старая добрая центробежная сила и ваш угловой момент сохранят вас в безопасности и не дадут вам упасть.
И только когда вы включите свои ракетные тормоза, чтобы прервать вращение, вы начнете падать внутрь.
Однако, как только вы начнете падать в черную дыры, постепенно вы будете ускоряться до все более высоких скоростей, пока, наконец, не достигнете скорости света.
Почему квантовая теория и общая теория относительности несовместимы?
На данный момент все идет прахом, поскольку в соответствии с ОТО ничто не может двигаться быстрее скорости света.
Свет - это субстрат, используемый в квантовом мире для обмена силами и транспортировки информации в макромир. Свет определяет, как быстро вы можете соединить причину и следствия. Если вы будете двигаться быстрее света, вы сможете увидеть события и изменить вещи до того, как они произойдут. И у этого есть два последствия:
- В точке, где вы достигаете скорости света, падая внутрь, вам также необходимо вылететь из этой точки на еще большей скорости, что кажется невозможным. Следовательно, обыкновенная физическая мудрость скажет вам, что ничто не может покинуть черную дыру, преодолев этот барьер, который мы называем также «горизонтом событий».
- Из этого также следует, что внезапно нарушаются базовые принципы сохранения квантовой информации.
Верно ли это и как нам модифицировать теорию гравитации (или квантовой физики) - это вопросы, на которые ищут ответы очень многие физики. И никто из нас не может сказать, к каким аргументам мы придем в итоге.
Существуют ли черные дыры?
Очевидно, все это волнение было бы оправдано только в том случае, если бы черные дыры реально существовали в этой Вселенной. Так существуют ли они?
В прошлом столетии убедительно доказали, что некоторые двойные звезды с интенсивным рентгеновским излучением на самом деле являются звездами, коллапсировавшими в черные дыры.
Более того, в центрах галактик мы часто находим доказательства огромных, темных концентраций массы. Это могут быть сверхмассивные версии черных дыр, вероятно, образованных в процессе слияния множества звезд и газовых облаков, которые погрузились в центр галактики.
Доказательства убедительные, но косвенные. Гравитационные волны позволили нам хотя бы «услышать» слияние черных дыр, но сигнатура горизонта событий все еще неуловима и мы никогда не «видели» черных дыр до сих пор - они просто слишком малы, слишком далеки и, в большинстве случаев, слишком черные.
Как же выглядит черная дыра?
Если посмотреть прямо в черную дыру, вы увидите самую темную темноту, которую только можно представить.
Но непосредственное окружение черной дыры может быть достаточно ярким, поскольку газы закручиваются по спирали внутрь - замедляясь за счет сопротивления магнитных полей, которые они переносят.
Из-за магнитного трения газ нагревается до огромных температур в несколько десятков миллиардов градусов и начинает излучать ультрафиолетовое и рентгеновское излучение.
Ультрагорячие электроны, взаимодействующие с магнитным полем в газе, начинают производить интенсивное радиоизлучение. Таким образом, черные дыры могут светиться и могут быть окружены огненным кольцом, излучающим на разных длинах волн.
Кольцо огня с черным-черным центром
И все же, в самом центре горизонт событий улавливает, как хищная птица, каждый фотон, который подходит слишком близко.
Поскольку пространство искривлено огромной массой черной дыры, дорожки света также искривляются и даже образуют почти концентрические круги вокруг черной дыры, подобно серпантинам вокруг глубокой долины. Этот эффект кольца света был рассчитан уже в 1916 году известным математиком Дэвидом Гильбертом всего через несколько месяцев после того, как Альберт Эйнштейн завершил свою общую теорию относительности.
После многократного обхода черной дыры, некоторые из лучей света могут сбежать, а другие окажутся в горизонте событий. На этом замысловатом пути света вы буквально можете заглянуть в черную дыру. И «ничто», которое предстанет вашему взгляду, будет горизонтом событий.
Если бы вы сделали снимок черной дыры, вы бы увидели черную тень в окружении светящегося тумана света. Мы назвали эту особенность тенью черной дыры.
Что примечательно, эта тень кажется больше, чем можно было бы ожидать, если взять за исходную точку диаметр горизонта событий. Причина в том, что черная дыра действует как гигантская линза, усиливая себя.
Окружение тени будет представлено крошечным «фотонным кольцом» из-за света, который кружит вокруг черной дыры почти вечно. Кроме того, вы увидите больше колец света, возникающих вблизи горизонта событий, однако концентрирующихся вокруг тени черной дыры из-за эффекта линзирования.
Фантазия или реальность?
Может ли черная дыра быть сущей выдумкой, которую разве что на компьютере можно смоделировать? Или же ее можно увидеть на практике? Ответ: возможно.
Во Вселенной есть две относительно близлежащие сверхмассивные черные дыры, которые настолько велики и близки, что их тени могут быть запечатлены с использованием современных технологий.
В центре нашего Млечного Пути есть черные дыры на расстоянии 26 000 световых лет с массой в 4 миллиона раз больше массы Солнца и черная дыра в гигантской эллиптической галактике M87 (Messier 87) с массой в 3-6 миллиардов солнечных.
Разглядеть зерно горчицы в Нью-Йорке из Европы
По случайному совпадению, простые теории излучения предсказывают, что для обоих объектов излучение, генерируемое вблизи горизонта событий, будет излучаться на радиочастотах 230 Гц и выше.
Большинство из нас сталкивается с этими частотами только тогда, когда нам приходится проходить через сканер в современном аэропорту. Черные дыры же постоянно в них купаются.
У этого излучения очень короткая длина волны - порядка миллиметра - которая легко поглощается водой. Для того, чтобы телескоп мог наблюдать космические миллиметровые волны, он должен быть размещен высоко на сухой горе, чтобы избежать поглощения излучения в тропосфере Земли.
По сути, нам понадобится миллиметровый телескоп, который сможет увидеть объект размером с горчичное зерно в Нью-Йорке, находясь где-нибудь в Нидерландах. Этот телескоп будет в тысячу раз зорче космического телескопа «Хаббл», а для миллиметрового диапазона волн размер такого телескопа будет с Атлантический океан или больше.
Виртуальный телескоп размером с Землю
К счастью, нам не нужно покрывать Землю одной-единственной радиотарелкой, потому что мы можем построить виртуальный телескоп с таким же разрешением, объединив данные с телескопов в разных горах по всей Земле.
Этот метод называется апертурным синтезом и очень длинной базовой интерферометрией (VLBI). Идея достаточно старая и проверенная несколькими десятилетиями, однако только сейчас ее стало возможно применять на высоких радиочастотах.
Первые успешные эксперименты показали, что структуры горизонта событий могут быть исследованы в таких частотах. Теперь же есть все необходимое для проведения такого эксперимента в больших масштабах.
Работы уже ведутся
Проект BlackHoleCam - это европейский проект окончательного изображения, измерения и понимания астрофизических черных дыр. Европейский проект является частью глобальной коллаборации - консорциума Event Horizon Telescope, в который входит больше 200 ученых из Европы, Америк, Азии и Африки. Вместе они хотят сделать первый снимок черной дыры.
В апреле 2017 года они наблюдали галактический центр и M87 при помощи восьми телескопах на шести различных горах в Испании, Аризоне, Гавайях, Мексике, Чили и Южном полюсе.
Все телескопы были оснащены точными атомными часами для точной синхронизации их данных. Ученые записали несколько петабайт сырых данных, благодаря удивительно хорошим погодным условиям по всему миру в то время.
Фото черной дыры
Если ученым удастся увидеть горизонт событий, они будут знать, что проблемы, которые возникают на стыке квантовой теории и ОТО, не абстрактны, а очень даже реальны. Возможно, именно тогда их можно будет разрешить.
Сделать это можно, если получить более четкие изображения теней черных дыр, либо отследить звезды и пульсары на их пути вокруг черных дыр, используя все доступные методы для исследования этих объектов.
Возможно, именно черные дыры станут нашими экзотическими лабораториями в будущем.
Две эти теории кажутся несовместимыми. И это даже не проблема. Они существуют в разных мирах, квантовая механика описывает очень малое, а ОТО описывает очень большое.
Только когда вы доходите до чрезвычайно малых масштабов и экстремальной гравитации, эти две теории сталкиваются и каким-то образом одна из них оказывается неверной. Во всяком случае, так следует из теории.
Но есть во Вселенной одно место, где мы могли бы фактически засвидетельствовать эту проблему, а может быть даже и решить: граница черной дыры. Именно здесь мы встречаем самую экстремальную гравитацию. Только вот есть одна проблема: никто никогда не «видел» черной дыры.
Что такое черная дыра?
Представьте, что вся драма в физическом мире разворачивается в театре пространства-времени, но гравитация - это единственная сила, которая фактически изменяет театр, в котором играет.
Сила гравитации управляет Вселенной, однако может даже и не быть силой в традиционном понимании. Эйнштейн описывал ее как следствие деформации пространства-времени. И, возможно, она просто не вписывается в Стандартную модель физики частиц.
Когда очень большая звезда взрывается в конце своего срока жизни, ее самая внутренняя часть обрушивается под действием собственной гравитации, поскольку для поддержания давления, действующего против силы тяжести, больше не хватает топлива. В конце концов, гравитация все-таки способна оказывать силу, похоже на это.
Материя коллапсирует и никакая сила в природе не может оставить этот коллапс.
За бесконечное время звезда коллапсирует в бесконечно малую точку: сингулярность, либо давайте назовем ее черной дырой. Но за конечное время, конечно, звездное ядро коллапсирует в нечто, имеющее конечные размеры, и все еще будет обладать огромной массой в бесконечно малой области. И тоже будет называться черной дырой.
Черные дыры не засасывают все вокруг
Примечательно то, что идея того, что черная дыра неизбежно засосет все в себя, - неверна
На самом деле, независимо от того, вращаетесь вы вокруг звезды или черной дыры, сформировавшейся из звезды, это не имеет значения, если масса остается прежней. Старая добрая центробежная сила и ваш угловой момент сохранят вас в безопасности и не дадут вам упасть.
И только когда вы включите свои ракетные тормоза, чтобы прервать вращение, вы начнете падать внутрь.
Однако, как только вы начнете падать в черную дыры, постепенно вы будете ускоряться до все более высоких скоростей, пока, наконец, не достигнете скорости света.
Почему квантовая теория и общая теория относительности несовместимы?
На данный момент все идет прахом, поскольку в соответствии с ОТО ничто не может двигаться быстрее скорости света.
Свет - это субстрат, используемый в квантовом мире для обмена силами и транспортировки информации в макромир. Свет определяет, как быстро вы можете соединить причину и следствия. Если вы будете двигаться быстрее света, вы сможете увидеть события и изменить вещи до того, как они произойдут. И у этого есть два последствия:
- В точке, где вы достигаете скорости света, падая внутрь, вам также необходимо вылететь из этой точки на еще большей скорости, что кажется невозможным. Следовательно, обыкновенная физическая мудрость скажет вам, что ничто не может покинуть черную дыру, преодолев этот барьер, который мы называем также «горизонтом событий».
- Из этого также следует, что внезапно нарушаются базовые принципы сохранения квантовой информации.
Верно ли это и как нам модифицировать теорию гравитации (или квантовой физики) - это вопросы, на которые ищут ответы очень многие физики. И никто из нас не может сказать, к каким аргументам мы придем в итоге.
Существуют ли черные дыры?
Очевидно, все это волнение было бы оправдано только в том случае, если бы черные дыры реально существовали в этой Вселенной. Так существуют ли они?
В прошлом столетии убедительно доказали, что некоторые двойные звезды с интенсивным рентгеновским излучением на самом деле являются звездами, коллапсировавшими в черные дыры.
Более того, в центрах галактик мы часто находим доказательства огромных, темных концентраций массы. Это могут быть сверхмассивные версии черных дыр, вероятно, образованных в процессе слияния множества звезд и газовых облаков, которые погрузились в центр галактики.
Доказательства убедительные, но косвенные. позволили нам хотя бы «услышать» слияние черных дыр, но сигнатура горизонта событий все еще неуловима и мы никогда не «видели» черных дыр до сих пор - они просто слишком малы, слишком далеки и, в большинстве случаев, слишком черные.
Как же выглядит черная дыра?
Если посмотреть прямо в черную дыру, вы увидите самую темную темноту, которую только можно представить.
Но непосредственное окружение черной дыры может быть достаточно ярким, поскольку газы закручиваются по спирали внутрь - замедляясь за счет сопротивления магнитных полей, которые они переносят.
Из-за магнитного трения газ нагревается до огромных температур в несколько десятков миллиардов градусов и начинает излучать ультрафиолетовое и рентгеновское излучение.
Ультрагорячие электроны, взаимодействующие с магнитным полем в газе, начинают производить интенсивное радиоизлучение. Таким образом, черные дыры могут светиться и могут быть окружены огненным кольцом, излучающим на разных длинах волн.
Кольцо огня с черным-черным центром
И все же, в самом центре горизонт событий улавливает, как хищная птица, каждый фотон, который подходит слишком близко.
Поскольку пространство искривлено огромной массой черной дыры, дорожки света также искривляются и даже образуют почти концентрические круги вокруг черной дыры, подобно серпантинам вокруг глубокой долины. Этот эффект кольца света был рассчитан уже в 1916 году известным математиком Дэвидом Гильбертом всего через несколько месяцев после того, как Альберт Эйнштейн завершил свою общую теорию относительности.
После многократного обхода черной дыры, некоторые из лучей света могут сбежать, а другие окажутся в горизонте событий. На этом замысловатом пути света вы буквально можете заглянуть в черную дыру. И «ничто», которое предстанет вашему взгляду, будет горизонтом событий.
Если бы вы сделали снимок черной дыры, вы бы увидели черную тень в окружении светящегося тумана света. Мы назвали эту особенность тенью черной дыры.
Что примечательно, эта тень кажется больше, чем можно было бы ожидать, если взять за исходную точку диаметр горизонта событий. Причина в том, что черная дыра действует как гигантская линза, усиливая себя.
Окружение тени будет представлено крошечным «фотонным кольцом» из-за света, который кружит вокруг черной дыры почти вечно. Кроме того, вы увидите больше колец света, возникающих вблизи горизонта событий, однако концентрирующихся вокруг тени черной дыры из-за эффекта линзирования.
Фантазия или реальность?
Может ли черная дыра быть сущей выдумкой, которую разве что на компьютере можно смоделировать? Или же ее можно увидеть на практике? Ответ: возможно.
Во Вселенной есть две относительно близлежащие сверхмассивные черные дыры, которые настолько велики и близки, что их тени могут быть запечатлены с использованием современных технологий.
В центре нашего Млечного Пути есть черные дыры на расстоянии 26 000 световых лет с массой в 4 миллиона раз больше массы Солнца и черная дыра в гигантской эллиптической галактике M87 (Messier 87) с массой в 3-6 миллиардов солнечных.
Разглядеть зерно горчицы в Нью-Йорке из Европы
По случайному совпадению, простые теории излучения предсказывают, что для обоих объектов излучение, генерируемое вблизи горизонта событий, будет излучаться на радиочастотах 230 Гц и выше.
Большинство из нас сталкивается с этими частотами только тогда, когда нам приходится проходить через сканер в современном аэропорту. Черные дыры же постоянно в них купаются.
У этого излучения очень короткая длина волны - порядка миллиметра - которая легко поглощается водой. Для того, чтобы телескоп мог наблюдать космические миллиметровые волны, он должен быть размещен высоко на сухой горе, чтобы избежать поглощения излучения в тропосфере Земли.
По сути, нам понадобится миллиметровый телескоп, который сможет увидеть объект размером с горчичное зерно в Нью-Йорке, находясь где-нибудь в Нидерландах. Этот телескоп будет в тысячу раз зорче космического телескопа «Хаббл», а для миллиметрового диапазона волн размер такого телескопа будет с Атлантический океан или больше.
Виртуальный телескоп размером с Землю
К счастью, нам не нужно покрывать Землю одной-единственной радиотарелкой, потому что мы можем построить виртуальный телескоп с таким же разрешением, объединив данные с телескопов в разных горах по всей Земле.
Этот метод называется апертурным синтезом и очень длинной базовой интерферометрией (VLBI). Идея достаточно старая и проверенная несколькими десятилетиями, однако только сейчас ее стало возможно применять на высоких радиочастотах.
Первые успешные эксперименты показали, что структуры горизонта событий могут быть исследованы в таких частотах. Теперь же есть все необходимое для проведения такого эксперимента в больших масштабах.
Работы уже ведутся
Проект BlackHoleCam - это европейский проект окончательного изображения, измерения и понимания астрофизических черных дыр. Европейский проект является частью глобальной коллаборации - консорциума Event Horizon Telescope, в который входит больше 200 ученых из Европы, Америк, Азии и Африки. Вместе они хотят сделать первый снимок черной дыры.
В апреле 2017 года они наблюдали галактический центр и M87 при помощи восьми телескопах на шести различных горах в Испании, Аризоне, Гавайях, Мексике, Чили и Южном полюсе.
Все телескопы были оснащены точными атомными часами для точной синхронизации их данных. Ученые записали несколько петабайт сырых данных, благодаря удивительно хорошим погодным условиям по всему миру в то время.
Фото черной дыры
Если ученым удастся увидеть горизонт событий, они будут знать, что проблемы, которые возникают на стыке квантовой теории и ОТО, не абстрактны, а очень даже реальны. Возможно, именно тогда их можно будет разрешить.
Сделать это можно, если получить более четкие изображения теней черных дыр, либо отследить звезды и пульсары на их пути вокруг черных дыр, используя все доступные методы для исследования этих объектов.
Возможно, именно черные дыры станут нашими экзотическими лабораториями в будущем.
Наука
Астрономы впервые опубликовали гипотетические изображения черной дыры и сообщили, что, по их представлениям, этот загадочный космический объект должен выглядеть именно так. Однако следует признать, что никто из них никогда не сможет проверить свою теорию на практике.
Черные дыры в визуальном смысле не оправдывают в полной мере свое название - эти объекты на самом деле невидимы , так как даже свет, попавший в них, не может избежать их гравитационного поля.
Однако ученые полагают, что границы черной дыры, то есть точка невозврата, которая называется горизонт событий , должна быть видимой из-за радиации, излучаемой материалом, который поглощается.
На 221-й встрече Американского Астрономического Общества ученые из Университета Калифорнии в Беркли представили изображение, сделанное с помощью компьютера, сообщив, что именно так должна выглядеть черная дыра :
Черная дыра Млечного пути (фото)
Изображение черной дыры Млечного пути, представленное Айманом Бином Камруддином из Калифорнийского Университета
Как видно на картинке, реальная черная дыра с границами имеет форму полумесяца , а вовсе не бесформенного объекта или просто черного шара, как многие изображали ее ранее.
Окружающая черную дыру среда имеет довольно интересную физику и излучает свечение , сказали астрономы. Технически мы не видим саму черную дыру, но можем представить, как выглядит горизонт событий.
Это изображение не просто догадки астрономов и их богатое воображение. Картинку создали на основе модели, которую ученые используют для интерпретации изображений, созданных с помощью нового оборудования , которое сегодня находится в процессе разработки.
Представления художников о черной дыре обычно весьма примитивны
Новый проект под названием Телескоп "Горизонт Событий" будет собирать данные по всемирной сети, полученные радио телескопами из разных уголков света , чтобы затем можно было изобразить объекты, которые являются слишком крошечными, чтобы их можно было увидеть, или вообще не доступны глазу человека.
Новый телескоп уже сделал ряд предварительных измерений и собрал первые данные относительно черной дыры в центре нашей галактики Млечного пути, известной как Стрелец A .
Исследователи проверили полученные данные с помощью разных моделей и пришли к выводу, что черная дыра, вернее, то, что ее окружает, имеет форму полумесяца, а не чего-то другого. Это форма отражает "пончикообразный" диск из материала , который вращается вокруг черной дыры и в одном месте засасывается в нее.
Газ вращается вокруг черной дыры, а сторона, которая направлена в сторону наблюдателей с Земли, будет казаться ярче с силу особых космических процессов. Другая сторона при этом будет более темной . В центре полумесяца находится темный круг, который представляет собой саму черную дыру.
Центр Млечного пути с черной дырой Стрелец А. Снимок сделан с помощью космического телескопа "Чандра" НАСА
Первые изображения черной дыры Стрельца А, по мнению астрономов, помогут им определить массу этого объекта , который находится в центре нашей галактики, а также проверить некоторые аспекты общей теории относительности, которые остаются под сомнением.
Другие уникальные изображения космических объектов и черных дыр
Многие космические объекты с помощью современной техники можно заснять на фото . Эти снимки и изображения представляют большую ценность для астрономов, которые с их помощью делают многие открытие. Предлагаем вам познакомиться с самыми любопытными снимками , сделанными с помощью телескопов за последние пару десятков лет.
Астрономы опубликовали снимки очень далеких уголков космоса, сделанные с помощью космического телескопа НАСА "Спицер" . На снимках изображены очень далекие объекты , в том числе супермассивные черные дыры, вернее не сами дыры, а окружающий их материал.
Рентгеновское излучение, исходящее из нагретого материала, падающего в черную дыру
Следы черной дыры во Вселенной
Яркий "зигзаг" справа - вовсе не работа художника-авангардиста, а подпись супермассивной черной дыры в центре галактики М84 , полученная с помощью спектрографа космического телескопа. Эта подпись представляет собой движение газа, пойманного гравитационными силами черной дыры . Слева показано изображение центра галактики, где предположительно "обитает" черная дыра.
Ядро галактики М84, снятое космическим телескопом НАСА "Хаббл"
Черная дыра в космосе
Гравитационные силы предполагаемой черной дыры образуют диск, похожий на тарелку для игры во фрисби , который состоит из холодного газа и находится в центре галактики. Позже наблюдения с помощью "Хаббла" подтвердили существование огромных черных дыр, которые поглощают все вокруг, даже свет.
Кольцо вокруг предполагаемой черной дыры галактики NGC 4261
Звездное скопление с черной дырой
На этом снимке видно звездное скопление G1, крупный шар из света, который состоит из не менее 300 тысяч старых звезд . Этот объект также часто называют скоплением Андромеды , так как оно находится в галактике Андромеда , ближайшей спиральной галактике от Млечного пути.
Шаровое звездное скопление в соседней галактике. Снимок сделан с помощью космического телескопа "Хаббл" в 1996 году
Большая черная дыра
Гигантская черная дыра может "выпускать" огромные пузыри горячего газа в космическое пространство. По крайней мере, такое странное свойство замечено у черной дыры в центре галактики NGC 4438 . Эта галактика относится к группе пекулярных галактик , то есть галактик, имеющих неправильную форму. Она расположена в районе созвездия Девы и находится в 50 миллионах лет от нас . Пузыри на самом деле представляют собой диск из материала, поглощаемого черной дырой.
Черная дыра, "надувающая" невероятно горячие пузыри газа, которые являются следствием больших аппетитов черной дыры. Пузырь имеет диаметр около 800 световых лет
Эллиптическая галактика с массивной черной дырой
Этот снимок изображает центральную часть эллиптической галактики М87 с сопутствующей ей струей. Увеличение яркости галактики к центру, что можно заметить на изображении, говорит о том, что звезды сконцентрированы в районе ядра и удерживаются там гравитационным полем массивной черной дыры. Плазменная струя, которую также видно на снимке и источником которой является горячий газовый диск вокруг черной дыры, имеет длину около 5 тысяч световых лет .
Фото телескопа НАСА, сделанное 1 июня 1991 года, на котором изображен центр галактики М87 со струей
Звездное скопление с умирающей звездой
Расположенное на расстоянии около 40 тысяч световых лет от Земли в районе созвездия Пегас скопление М15 является одним из 150 известных шаровых звездных скоплений, которые образуют гигантские светящиеся кольца и окружают нашу галактику Млечный путь. Все эти скопления содержат сотни тысяч древних звезд. Если бы мы жили где-то в центре этого скопления, наше небо сияло бы тысячами звезд , которые горели бы и днем, и ночью.
Звездное скопление М15 с умирающей звездой в центре. Снимок телескопа "Хаббл", который показывает скопление в реальных цветах
Впервые термин «Черная дыра» был использован в 1967 году Джоном А. Уилером. Так называют область в пространстве и времени с настолько большой гравитацией, что покинуть ее пределы не могут даже кванты света. Размер определяют гравитационным радиусом, а границу действия называют горизонтом событий.
Особенности формы
В идеале черная дыра, при условии ее изоляции – это абсолютно черный участок пространства. Как выглядит черная дыра на самом деле, пока не знает никто, известно лишь, что она не оправдывает своего названия, так как она абсолютно не видима. По мнению ученых астрономов, определить ее наличие можно только по свечению в районе горизонта событий. Это происходит по двум причинам:
В нее попадают частицы вещества, скорость которых по мере приближения к точке невозврата, понижается. Они создают картинку диффузного газопылевого облака, с увеличивающейся внутри плотностью.
Кванты света, проходя рядом с черной дырой, изменяют свою траекторию. Это искажение иногда настолько велико, что свет несколько раз огибает ее, прежде чем попасть внутрь. Так образуется световое кольцо.
По предположениям астрономов, всепоглощающая звезда вовсе не бесформенна, а похожа на полумесяц. Это происходит потому, что сторона, обращенная к наблюдателю, по особым космическим причинам, всегда ярче другой стороны. Темный круг, находящийся в центре полумесяца и есть черная дыра.
Возникновение
Существует два сценария возникновения: сильное сжатие массивной звезды, сжатие центра галактики или ее газа. Есть также гипотезы, что они сформировались после Большого Взрыва или возникли в результате возникновения огромного количества энергии в ядерной реакции.
Виды
Различают несколько основных видов: Сверхмассивные – очень разросшиеся, часто находятся в центре галактик; Первичные – предполагается, что они могли появиться при больших отклонениях в однородности гравитационного поля и плотности при появлении Вселенной; Квантовые – гипотетически возникают при ядерных реакциях и имеют микроскопические размеры.
Жизнь черной дыры не вечна
По предположению С. Хокинга она ограничена примерно 10 в 60 степени годами. Дыра постепенно «худеет» и оставляет после себя только элементарные частицы.
Есть предположение, что существует и антипод – белая дыра. Если в первую все входит и не выходит, то во вторую попасть невозможно – она только выпускает. Согласно этой теории, белая дыра возникает на короткое время и распадается, выплеснув энергию и вещество. Вполне серьезные ученые полагают, что таким образом создается некоторый тоннель, с помощью которого можно перемещаться на колоссальные расстояния.
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 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.
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.
Все это звучит странно и загадочно, но в том, что черные дыры существуют, астрофизики : например, долгожданное открытие , 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 , 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.