Фотку черной дыры

Содержание

Первый в истории снимок черной дыры

Снимок был получен в рамках проекта Event Horizon Telescope, который объединяет восемь радиотелескопов, находящихся в разных точках Земли: в США, Испании, Мексике, Чили и на Южном полюсе.

На снимке изображен объект в центре галактики Messier 87, которая находится в созвездии Девы, в 55 млн световых лет от нас. Это не фотография в привычном понимании, а изображение электромагнитных волн: именно их запечатлели радиотелескопы. Затем изображение было собрано и обработано на суперкомпьютере. Астрофизики в рамках проекта также наблюдают за черной дырой Стрелец А* в центре нашей галактики Млечный Путь, но ее снимков пока нет.

Черная дыра — это область с настолько сильной гравитацией, что она притягивает и поглощает даже свет. Сама черная дыра невидима; на снимке изображен горизонт событий — граница области, в которой действует гравитация черной дыры. Видимым тут является лишь аккреционный диск — раскаленная светящаяся материя, которую «засасывает» в себя черная дыра. Считается, что сверхмассивные черные дыры образуют ядра большинства галактик.

Гравитация черных дыр столь сильна, что не выпускает даже свет. Все его фотоны — внутри. А что происходит снаружи — рядом с этими таинственными космическими объектами огромной массы, которая в миллионы, а то и в миллиарды раз превосходит солнечную? Ученые пробуют себе такое представить. Представляют и показывают нам.

На днях специалисты американского аэрокосмического агентства (NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland) обнародовали визуализацию, над которой работали несколько лет. Они впервые изобразили и саму черную дыру и ее окрестности в движении.

В движении находится так называемый аккреционный диск — огненное кольцо вещества, которое со всей округи притягивает и засасывает черная дыра. Диск вращается со скоростью близкой к световой, окружая поверхность черной дыры. Или горизонт событий, выражаясь о ней — об этой поверхности — астрономическим языком.

Горизонт событий — некая граница, за которую свет не может вырваться -. выглядит темным пятном. Нижний край диска, который очерчивает горизонт событий, предстает в виде яркого кольца. Ученые называют это кольцо фотонным.

Аккреционный диск — не однороден в силу разных скоростей вовлеченного в него вещества. На стороне обращенной к нам, он ярче поскольку вещество в диске несется навстречу.

Визуализация, если она и в самом деле правдоподобна, в подробностях иллюстрирует то, что удалось сфотографировать весной нынешнего года — черную дыру в галактике М87.

Снимок циклопического объекта был обнародован 10 апреля 2019 года на пресс-конференции, которая прошла в Вашингтоне в National Press Club. «Сотворили» его исследователи обсерватории «Телескоп горизонта событий» (Event Horizon Telescope), которая объединила в глобальную сеть несколько крупнейший радиотелескопов, разбросанных по разным континентам. Работая совместно, телескопы образовали «тарелку» небывалого размера, которая позволила заглянуть вглубь Вселенной на десятки миллионов световых лет и натурально разглядеть там черную дыру — гигантский объект в центре галактики М87. Реальный снимок и его визуализация не противоречат дополняют, а похоже, что дополняют.

Черная дыра в натуре: реальное фото, объект М87.

До галактики М87 — 50 миллионов световых лет. Черную дыру в ней в 2011 году обнаружила группа американских астрономов во главе с Карлом Гебхардтом (Karl Gebhardt) из Университета Техаса (University of Texas in Austin). Открытие они сделали с помощью 8-метрового телескопа на Гавайских островах (8.1-metre Frederick C. Gillett Gemini Telescope on Mauna Kea, Hawaii). Астрономы уже тогда определили массу объекта — около 7 миллиардов солнечных. Чудовищными оказались и размеры «монстра» — внутри него целиком поместилась бы Солнечная система.

Далеко не все верили, что черная дыра может быть такой огромной. Но убедились в этом, увидев, что называется, собственными глазами.

Наблюдение за объектом в галактике М87 астрономы вели в апреле 2017 года. Собрали более одного петабайта данных, 2 года их обрабатывали, пока не получили искомое изображение. Оно размытое, но представление об объекте дало. Более того, соответствовало прежним — не столь давно выдвинутым — теоретическим представлениям. Сообразно им черную дыру, изображали в фильме «Интерстеллар», который вышел на экраны в 2014 году. Было очень похоже на нынешнюю визуализацию NASA. Только без мелких подробностей.

Черная дыра из фильма «Интерстеллар».

По сюжету у черной дыры расположены три планеты, к которым отправляется экспедиция — проникает к ним сквозь кротовую нору, обнаруженную в Солнечной системе рядом с Сатурном. Фантастика, но близкая к научной реальности.

Не остались в долгу и специалисты «Роскосмоса». Тоже пофантазировали и изобразили, как могла бы смотреться черная дыра на земном небе, если бы рядом с ней вдруг расположилась бы наша планета.

Если бы место Солнца заняла черная дыра.

Подробнее о фото черной дыры — на сайте NASA.

А о девушке, создавшей алгоритм, благодаря которому было получено сенсационное фото, читайте Черная дыра Кэти Боуман

Черная дыра: впервые на видео.

10 научных фактов, которые мы извлекли из первой фотографии черной дыры

Идея черных дыр восходит к 1783 году, когда кембриджский ученый Джон Мичелл осознал, что достаточно массивный объект в достаточно маленьком пространстве может притягивать даже свет, не давая ему вырваться. Спустя более века Карл Шварцшильд нашел точное решение для общей теории относительности Эйнштейна, которое предсказало такой же результат: черную дыру. Как Мичелл, так и Шварцшильд предсказали явную связь между горизонтом событий, или радиусом области, из которой свет не может вырваться, и массой черной дыры.

Черный дыры никогда не были чем-то банальным. Они всегда вызывали интерес.

В течение 103 лет после шварцшильдовского предсказания его не могли проверить. И только 10 апреля 2019 года ученые раскрыли первую в истории фотографию горизонта событий. Теория Эйнштейна снова сработала, как и всегда.

Хотя мы уже знали о черных дырах довольно много всего, еще до появления первого снимка горизонта событий, он многое изменил и прояснил. У нас было много вопросов, на которые теперь есть ответы.

Кстати, вот вам 10 фактов о черных дырах, которые должен знать каждый.

10 апреля 2019 года коллаборация Event Horizon Telescope представила первый успешный снимок горизонта событий черной дыры. Эта черная дыра находится в галактике Messier 87: самой большой и массивной галактике в нашем локальном сверхскоплении галактик. Угловой диаметр горизонта событий составил 42 микро-арк-секунды. Это значит, что для того, чтобы покрыть все небо, нужно 23 квадриллиона черных дыр таких же размеров.

Фотограиф настоящей черной дыры

На расстоянии в 55 миллионов световых лет, предполагаемая масса этой черной дыры в 6,5 миллиарда раз превышает солнечную. Физически это соответствует размеру, превышающему размер орбиты Плутона вокруг Солнца. Если бы черной дыры не было, свету понадобилось бы около суток, чтобы пройти через диаметр горизонта событий. И только потому, что:

  • у Телескопа горизонта событий достаточно разрешающей способности, чтобы увидеть эту черную дыру
  • черная дыра сильно излучает радиоволны
  • очень мало радиоволновых излучений на фоне, чтобы помешать сигналу

мы смогли соорудить этот первый снимок. Из которого теперь мы извлекли десять глубоких уроков.

Мы узнали, как выглядит черная дыра. Что дальше?

Черная дыра может дать ответы на многие, если не все вопросы во Вселенной!

Это правда черная дыра, как и предсказывалось ОТО. Если вы когда-либо видели статью с названием типа «теоретик смело утверждают, что черных дыр не существует» или «эта новая теория гравитации может перевернуть Эйнштейна», вы догадываетесь, что у физиков нет проблем с придумыванием альтернативных теорий. Несмотря даже на то, что ОТО прошла все испытания, которым мы ее подвергали, недостатка в расширениях, заменах или возможных альтернативах у физиков нет.

Вы слышали про «Звуковую черную дыру». А она поможет решить парадокс, сформулированный Стивеном Хокингом.

И наблюдение черной дыры исключает огромное их количество. Теперь мы знаем, что это черная дыра, а не червоточина. Мы знаем, что горизонт событий существует и что это не голая сингулярность. Мы знаем, что горизонт событий — это не твердая поверхность, поскольку падающее вещество должно выдавать инфракрасную сигнатуру. И все эти наблюдения соответствуют общей теории относительности.

Однако это наблюдение ничего не говорит о темной материи, наиболее модифицированных теориях гравитации, квантовой гравитации или о том, что скрывается за горизонтом событий. Эти идеи находятся за рамками наблюдений EHT.

На фоне звездного неба все, даже черная дыра, смотрится очень красиво.

Гравитационная динамика звезд дает хорошие оценки для масс черной дыры; наблюдения газа — нет. До первого изображения черной дыры у нас было несколько различных способов измерения масс черных дыр.

Мы могли либо использовать измерения звезд — вроде отдельных орбит звезд возле черной дыры в нашей собственной галактики или линии абсорбции звезд в M87 — которые давали нам гравитационную массу, либо выбросов из газа, который движется вокруг центральной черной дыры.

Как для нашей галактики, так и для M87, эти две оценки были очень разными: гравитационные оценки были на 50-90% больше, чем газовые. Для M87 измерения газа показали, что масса черной дыры составляет 3,5 миллиарда солнц, а гравитационные измерения были ближе к 6,2 — 6,6 млрд. Но результаты EHT показали, что черная дыра имеет 6,5 миллиарда солнечных масс, а значит, гравитационная динамика — прекрасный индикатор масс черных дыр, но выводы по газу смещаются в сторону более низких значений. Это прекрасная возможность пересмотреть наши астрофизические предположения об орбитальном газе.

Это должна быть вращающаяся черная дыра, и ее ось вращения указывает в сторону от Земли. Посредством наблюдений горизонта событий, радиоизлучения вокруг него, крупномасштабного джета и расширенных радиоизлучений, измеренных другими обсерваторий, EHT определила, что это черная дыра Керра (вращающаяся), а не Шварцшильда (не вращающаяся).

Не ни единой простой черты черной дыры, которую мы могли бы изучить, чтобы определить эту природу. Вместо этого нам приходится строить модели самой черной дыры и вещества вне ее, а затем развивать их, чтобы понять, что происходит. Когда вы ищете возможные сигналы, которые могут проявиться, вы получаете возможность ограничивать их так, чтобы они согласовались с вашими результатами. Эта черная дыра должна вращаться, а ось вращения указывает от Земли примерно на 17 градусов.

Вокруг черной дыры есть вещество

Мы смогли окончательно определить, что вокруг черной дыры есть вещество, соответствующее аккреционным дискам и потокам. Мы уже знали, что у M87 был джет — по оптическим наблюдениям — и что она также испускала в радиоволновом и рентгеновском диапазонах. Такого рода излучение не получится получить только от звезд или фотонов: нужно вещество, а также электроны. Только разгоняя электроны в магнитном поле можно получить характерное радиоизлучение, которое мы увидели: синхротронное излучение.

И это также потребовало невероятное количество работы по моделированию. Подкручивая всевозможные параметры всех возможных моделей, вы узнаете, что эти наблюдения не только требуют аккреционных потоков для объяснения радиорезультатов, но и обязательно предсказывают не-радиоволновые результаты — вроде рентгеновских излучений. Важнейшие наблюдения произвел не только EHT, но и другие обсерватории вроде рентгеновского телескопа «Чандра». Потоки аккреции должны нагреваться, о чем свидетельствует спектр магнитных излучений M87, в соответствии с релятивистскими ускоряющимися электронами в магнитном поле.

Демонстрация гравитационного линзирования вокруг черной дыры

Видимое кольцо демонстрирует силу гравитации и гравитационное линзирование вокруг центральной черной дыры; и снова ОТО прошла испытания. Это кольцо в радиодиапазоне не соответствует самому горизонту событий и не соответствует кольцу вращающихся частиц. И это также не самая стабильная круговая орбита черной дыры. Нет, это кольцо возникает из сферы гравитационно линзируемых фотонов, пути которых искривляются гравитацией черной дыры по дороге к нашим глазам.

Этот свет изгибается в большую сферу, чем можно было бы ожидать, если бы гравитация была не такой сильной. Как пишет в работе Event Horizon Telescope Collaboration:

«Мы выяснили, что больше 50% общего потока в арксекундах проходит вблизи горизонта и что это излучение резко подавляется при попадании в эту область, в 10 раз, что является прямым доказательством предсказанной тени черной дыры».

Общая теория относительности Эйнштейна в очередной раз оказалась верной.

Так свет ведет себя вокруг черной дыры

Черные дыры — динамические явления, их излучение меняется со временем. При массе в 6,5 миллиарда солнц, свету понадобится примерно день, чтобы преодолеть горизонт событий черной дыры. Это грубо устанавливает временные рамки, в которые мы можем ожидать увидеть изменения и флуктуации излучения, наблюдаемого EHT.

Даже наблюдения, которые длились несколько дней, позволили нам подтвердить, что структура испускаемого излучения меняется со временем, как и предсказывалось. Данные за 2017 год содержат четыре ночи наблюдений. Даже взглянув на эти четыре изображения можно визуально увидеть, что первые два обладают схожими чертами и последние два также, однако между первым и последним есть значительные отличия. Иными словами, свойства излучения вокруг черной дыры в M87 действительно меняются со временем.

Поведение черной дыры. Время и температура

EHT в будущем раскроет физическое происхождение вспышек черных дыр. Мы увидели, как в рентгеновском, так и в радиодиапазоне, что черная дыра в центре нашего собственного Млечного Пути испускает кратковременные вспышки излучения. Хотя самое первое представленное изображение черной дыры показало сверхмассивный объект в M87, черная дыра в нашей галактике — Стрелец А* — будет такой же большой, только меняться будет быстрее.

По сравнению с массой M87 — 6,5 миллиарда солнечных масс — масса Стрельца А* будет всего 4 миллиона солнечных масс: 0,06% от первой. Это значит, что колебания будут наблюдаться уже не в течение дня, а в течение даже одной минуты. Особенности черной дыры будут меняться быстро, и когда произойдет вспышка, мы сможем раскрыть ее природу.

Как вспышки связаны с температурой и светимостью радиокартины, которую мы увидели? Происходит ли магнитное пересоединение, как в выбросах корональной массы нашего Солнца? Что-нибудь разрывается в потоках аккреции? Стрелец А* вспыхивает ежедневно, поэтому мы сможем связать все нужные сигналы с этими событиями. Если наши модели и наблюдения будут такими же хорошими, какими они оказались для M87, мы сможем определить, что движет этими событиями и, возможно, даже узнаем, что падает в черную дыру, создавая их.

Далекий космос — он такой

Появятся поляризационные данные, которые раскроют, обладают ли черные дыры собственным магнитным полем. Хотя мы все мы определенно были рады увидеть первый снимок горизонта событий черной дыры, важно понимать, что вскоре появится совершенно уникальная картина: поляризации света, исходящего от черной дыры. Из-за электромагнитной природы света его взаимодействие с магнитным полем отпечатает особенную поляризационную сигнатуру на ней, позволив нам реконструировать магнитное поле черной дыры, а также и то, как оно меняется со временем.

Мы знаем, что вещество за пределами горизонта событий, являясь по сути движущимися заряженными частицами (вроде электронов), генерирует собственное магнитное поле. Модели указывают, что линии поля могут либо оставаться в аккреционных потоках, либо проходить через горизонт событий, образуя своеобразный «якорь» в черной дыры. Есть связь между этими магнитными полями, аккрецией и ростом черной дыры, а также джетами. Без этих полей материя в потоках аккреции не могла бы терять угловой импульс и падать в горизонт событий.

Поляризационные данные, благодаря силе поляриметрической визуализации, расскажут нам об этом. Данные у нас уже есть: осталось выполнить полный анализ.

Поиск черных дыр вблизи галактических центров продолжается

Усовершенствование Event Horizon Telescope покажет наличие других черных дыр вблизи галактических центров. Когда планета вращается вокруг Солнца, это связано не только с тем, что Солнце оказывает гравитационное воздействие на планету. Всегда есть равная и противоположная реакция: планета оказывает воздействие на солнце. Точно так же, когда объект кружит вокруг черной дыры, он также оказывает гравитационное давление на черную дыру. В присутствии целого набора масс возле центров галактик — и, в теории, множества невидимых пока черных дыр — центральная черная дыра должна буквально дрожать на своем месте, будучи растаскиваемой броуновским движением окружающих тел.

Сложность проведения этого измерения сегодня заключается в том, что вам нужна контрольная точка для калибровки вашего положения относительно местоположения черной дыры. Техника для такого измерения подразумевает, что вы смотрите на калибратор, затем на источник, снова на калибратор, снова на источник и так далее. При этом перемещать взгляд нужно очень быстро. К сожалению, атмосфера меняется очень стремительно, и за 1 секунду многое может измениться, поэтому вы просто не успеете сравнить два объекта. Во всяком случае, не с современными технологиями.

Но технологии в этой области развиваются невероятно быстро. Инструменты, которые используются на EHT, ожидают обновления и, возможно, смогут достичь необходимой скорости к середине 2020-х годов. Эта загадка может быть решена к концу следующего десятилетия, и все благодаря улучшению инструментария.

Хаотиность движения иногда является только кажущейся.

Наконец, Event Horizon Telescope в конечном счете увидит сотни черных дыр. Чтобы разобрать черную дыру, нужно, чтобы разрешающая сила массива телескопа была лучше (то есть с высоким разрешением), чем размер объекта, который вы ищете. В настоящее время EHT может разобрать только три известных черных дыры во Вселенной с достаточно большим диаметром: Стрелец А*, центр M87, центр галактики NGC 1277.

Но мы можем увеличить мощность ока Event Horizon Telescope до размеров Земли, если запустим телескопы на орбиту. В теории, это уже технически достижимо. Увеличение количества телескопов увеличивает количество и частоту наблюдений, а вместе с тем и разрешение.

Только представьте себе сотни черных дыр, расбросанных по всей Вселенной

Внеся необходимые улучшения, вместо 2-3 галактик мы сможем находить сотни черных дыр или даже больше. Будущее фотоальбомов с черными дырами кажется ярким.

Проект Телескопа горизонта событий был дорогим, но он окупился. Сегодня мы живем в эпоху астрономии черных дыр и наконец-то смогли наблюдать их воочию. Это только начало. Подпишитесь на наш канал в Телеграме, чтобы получать все новости с этого невидимого фронта.

Черные дыры являются одним из самых интересных объектов во Вселенной. Это небесные тела чрезвычайно сильной гравитации, из которых ничто не может вырваться — ни планета, ни луна, ни даже свет.

Все, что пересекает горизонт событий — границу, в пределах которой скорость убегания черной дыры больше скорости света — резко движется к неизвестной судьбе.

В последние годы физики обнаружили много неизвестных фактов о черных дырах. Некоторые открытия заложили основу для будущего, в то время как некоторые все еще поражают воображение исследователей. Вот 18 самых интригующих фактов и теорий черных дыр, которые вы должны знать.

1. Черная дыра была открыта Карлом Шварцшильдом в 1916 году

Карл Шварцшильд | Изображение предоставлено: Викимедиа

Хотя объекты с интенсивными гравитационными полями (из которых свет не может уйти) рассматривались в 18 веке, именно Карл Шварцшильд дал первое современное решение общей теории относительности в 1916 году, характеризующее черную дыру.

В 1958 году Дэвид Финкельштейн опубликовал свою интерпретацию как область пространства, из которой ничто не может вырваться. Американский физик-теоретик Джон Уилер затем связал термин «черная дыра» с объектами с гравитационным коллапсом, предсказанным в начале 20-го века.

Он использовал термин «черная дыра» во время презентации, которую он дал в Институте космических исследований имени Годдарда НАСА в 1967 году.

2. Их нельзя наблюдать непосредственно

Первое фото Черной дыры

Первое в мире изображение черной дыры в ядре эллиптической галактики Мессье 87

Поскольку свет не может избежать массивного гравитационного притяжения черной дыры, вы не можете непосредственно наблюдать его. Тем не менее, вы можете увидеть, как его гравитация влияет на близлежащие небесные тела и газ.

Астрономы изучают звезды, чтобы увидеть, вращаются ли они вокруг черной дыры. Когда звезда и черная дыра находятся близко друг к другу, испускается излучение, которое обычно фиксируется космическими телескопами и спутниками.

В 2019 году ученые сняли первое в мире изображение черной дыры, расположенной на расстоянии 500 миллионов триллионов километров. Он был сфотографирован сетью 8 телескопов по всему миру. Эта сверхмассивная черная дыра имеет ширину в 40 миллиардов километров и в 6,5 миллиардов раз больше массы Солнца.

3. Типы черных дыр

Существует четыре типа черных дыр (три реальных и одна гипотетическая) —

Звездные черные дыры: это маленькие черные дыры с массами от 5 до нескольких десятков масс Солнца. Они образованы гравитационным коллапсом большой звезды.

Сверхмассивные черные дыры: самые большие черные дыры с массами от сотен тысяч до миллиардов солнечных масс. Их происхождение остается открытой областью исследования.

Промежуточные черные дыры значительно более массивны, чем звездные черные дыры, но меньше, чем сверхмассивные черные дыры. Наиболее убедительные доказательства таких небесных тел получены от некоторых активных галактических ядер с низкой светимостью.

Изначальные черные дыры — это гипотетические черные дыры, которые могли образоваться вскоре после Большого взрыва. Их массы могут быть намного меньше, чем звездные массы. Стивен Хокинг подробно изучил эти черные дыры и обнаружил, что они могут весить всего 100 микрограммов.

4. Черная дыра имеет три слоя

Черная дыра имеет три слоя: сингулярность, внешний и внутренний горизонт событий.

Центр черной дыры называется сингулярностью. Это область, где вся масса сжимается до почти нулевого объема. Таким образом, особенность имеет почти бесконечную плотность и порождает огромную гравитационную силу.

Внешний горизонт событий — это самый внешний слой, из которого материалы все еще могут вырваться из гравитации черной дыры. Гравитационное притяжение этого слоя не такое сильное, как в центральном или среднем слое.

Внутренний горизонт событий — это центральный слой. Это регион, откуда вещество не может убежать. Он толкает вещество к центру черной дыры, где гравитационное воздействие является наиболее сильным.

5. Черная дыра может быть размером до 0,1 миллиметра

Черная дыра может иметь массу, столь же малую, как луна Земли, и огромную, в десять миллиардов раз превышающую массу Солнца.

Его масса пропорциональна размеру горизонта событий, который измеряется как радиус Шварцшильда. Это радиус, при котором скорость выхода равна скорости света.

Более того, ни одна черная дыра не является бесконечно маленькой. Минимальная масса выше или равна массе Планка, которая составляет около 22 микрограммов.

6. Черные дыры вращаются вокруг оси

Когда звезда падает в очень маленькое пространство, она все еще сохраняет всю эту массу. Чтобы сохранить момент импульса, скорость вращения черной дыры увеличивается.

Поскольку черная дыра вращается, ее масса заставляет вращаться и близлежащее пространство-время. Этот регион называется эргосферой. Это регион (за пределами горизонта событий), где происходят различные интересные эффекты.

Чем меньше горизонт событий, тем быстрее он вращается. Однако существует ограничение скорости, с которой черная дыра может вращаться .

Самая тяжелая звездная черная дыра (GRS 1915+105) в Млечном Пути вращается 1150 раз в секунду. А в галактике NGC 1365 есть черная дыра, которая вращается со скоростью 84% скорости света. Он достиг предела космической скорости и не может вращаться быстрее.

7. Они производят звук

Наблюдение Чандрой скопления галактик Персей выявило волнообразные особенности, которые кажутся звуковыми волнами | Предоставлено: НАСА.

В 2003 году астрономы, использующие рентгеновскую обсерваторию Чандра НАСА, обнаружили звуковые волны от сверхмассивной черной дыры, расположенной в 250 миллионах световых лет от Земли.

Когда черная дыра втягивает что-то, ее горизонт событий заряжает частицу близко к скорости света, производя звук. Космические телескопы улавливают звуковые волны, которые уже прошли миллионы световых лет от их источника (черной дыры).

Но звук не может распространяться в вакууме, тогда как мы слышим черные дыры? На самом деле, космическое пространство не полный вакуум. Он состоит из нескольких атомов водорода (плюс другие газы) на кубический метр, которые служат средой для очень низкочастотных звуковых волн.

8. Черные дыры искажают пространство и время

Симуляция, показывающая, как черная дыра искажает пространство-время

Из-за сильного гравитационного воздействия черная дыра может исказить пространство-время в ближнем соседстве. Согласно общей теории относительности, чем ближе вы к черной дыре, тем медленнее проходит время.

Горизонт событий — это граница вокруг черной дыры, где каждая материя, включая свет, теряет способность убегать. Гравитационная сила постоянна на горизонте событий.

Вращающаяся черная дыра порождает странный эффект, называемый перетаскиванием кадра. В этом случае пространство и время, близкие к черной дыре, фактически тянутся вокруг нее. Космос тянется так сильно, что невозможно двигаться в противоположном направлении. Это бесконечный регресс искажений, когда нет возможности двигаться вперед.

В целом, классические законы физики в том виде, в каком мы их знаем, перестают действовать внутри горизонта событий, на самом деле невозможно представить что-либо с бесконечной плотностью и нулевым объемом.

9. Черные дыры могут убить тебя ужасным способом

Если бы вы упали в черную дыру, ваше тело растянулось бы в длинную, похожую на спагетти нить.

Предполагая, что это маленькая черная дыра, вы будете искажены огромной приливной силой тяжести. Приливная сила — это разница между силой тяжести на голове и ногах. Сила, действующая на вашу голову (если вы падаете головой вперед), будет намного сильнее, чем сила, действующая на ваши ноги.

Эта разница заставит вас почувствовать, что что-то разрывает вас на части, растягивает с головы до ног. Чем ближе ваша голова к черной дыре, тем быстрее она движется. Но нижняя половина вашего тела находится дальше и поэтому не движется к центру так быстро.

Когда приливная сила превышает молекулярные силы, которые связывают вашу плоть, ваше тело разорвется на две части, и эти две части разорвутся на две другие части, и так далее. Вы были бы вытеснены через ткань пространства-времени, как зубная паста через трубку.

10. Черные дыры не засасывают

Все внутри горизонта событий рушится до одномерной сингулярности

Люди обычно думают о черной дыре как о космическом вакууме, который высасывает вещество со всего вокруг. Это распространенное заблуждение. Черные дыры похожи на любое другое небесное тело, но имеют огромное гравитационное влияние на пространство в их окрестностях. Это гравитационное притяжение просто заставляет вещество вокруг них быстро ускоряться.

Даже если вы замените наше Солнце черной дырой равной массы, Земля не упадет. У черной дыры будет то же гравитационное поле, что и у Солнца. Земля и другие планеты будут продолжать вращаться вокруг черной дыры, когда она вращается вокруг Солнца сегодня.

А поскольку Солнце недостаточно велико, оно никогда не превратится в черную дыру.

11. Сверхмассивные черные дыры существуют в центрах большинства галактик

Рентгеновское изображение Стрельца А | Предоставлено: НАСА.

Исследователи полагают, что в ядре большинства галактик, включая Млечный Путь, есть сверхмассивная черная дыра. Эти большие черные дыры фактически удерживают галактики вместе в космосе.

Стрелец А, черная дыра, расположенная в центре Млечного Пути, в 4 миллиона раз массивнее Солнца. На расстоянии всего 26 000 световых лет от Земли Стрелец А является одной из очень немногих черных дыр во Вселенной, где астрономы могут фактически наблюдать поток материи поблизости.

12. Во Вселенной есть бесчисленные черные дыры

Одна наша галактика состоит из более чем 100 миллионов звездных черных дыр, плюс сверхмассивный Стрелец А в ее ядре. Почти 100 миллиардов галактик, каждая из которых имеет ядро ​​сверхмассивного монстра и 100 миллионов черных дыр звездной массы (в то время как другие типы еще изучаются), это все равно что пытаться подсчитать количество песчинок на Земле.

13. Любой объект может быть превращен в черную дыру

Звезды не единственные вещи, которые в конечном итоге превращаются в черные дыры. Теоретически вы можете превратить все в черную дыру.

Например, если вы уменьшите размер Солнца до 6 километров в поперечнике, сохраняя при этом всю его массу, он станет черной дырой. Его плотность достигнет астрономических уровней, которые сделают гравитационную силу невероятно сильной.

Та же теория может быть применена к Земле и любому другому объекту, такому как мобильный телефон, автомобиль или даже ваше собственное тело. Однако мы не знаем такой техники, которая может уменьшить объем до бесконечно малой точки, сохраняя при этом 100 процентов массы объекта.

14. Со временем они испаряются

В 1974 году Стивен Хокинг предположил, что черные дыры излучают небольшое количество фотонных частиц, что заставляет их постепенно терять массу и исчезать со временем. Этот процесс испарения называется «излучение Хокинга».

Излучение черного тела происходит за счет квантовых эффектов вблизи горизонта событий. Поскольку процесс невероятно медленный, только самые маленькие черные дыры успели бы полностью испариться в течение 13,8 миллиардов лет (эпоха Вселенной).

15. Сверхмассивные черные дыры определяют количество звезд в галактике

Существует сбалансированная связь между деятельностью черных дыр и количеством звезд. Слишком много звезд сделало бы галактику слишком горячей, чтобы жизнь могла эволюционировать, тогда как недостаточное количество звезд может помешать формированию жизни.

Новое исследование показывает, как сверхмассивные черные дыры регулируют звездообразование в массивных галактиках. История звездообразования в близлежащих массивных галактиках зависит от массы центральной сверхмассивной черной дыры.

16. Они являются гигантским источником энергии

Черные дыры создают энергию более эффективно, чем маленькие звезды, такие как Солнце.

Поскольку гравитационное влияние очень сильно вблизи горизонта событий, вещество, ближайшее к краю горизонта событий, вращается намного быстрее, чем вещество на внешнем горизонте событий (внешний слой черной дыры).

Вещество движется так быстро, что нагревается до миллионов градусов по Цельсию, превращая массу в энергию в форме излучения (известного как излучение черного тела).

Черная дыра может преобразовать 10% массы в энергию. Чтобы поместить это в перспективу, ядерный синтез превращает только 0,7% массы в энергию.

Исследователи даже исследовали, возможно ли физически использовать этот вид энергии для строительства электростанций или космических кораблей.

17. Черные дыры могут создать новые вселенные

Это может показаться странным, но некоторые физики считают, что черные дыры могут открыть новые миры. Наша вселенная, возможно, родилась внутри черной дыры, и черные дыры в нашей вселенной могут порождать новые собственные вселенные.

Чтобы понять, как это работает, представьте себе нашу нынешнюю Вселенную: все, на что вы смотрите, стало возможным благодаря ряду событий, произошедших в прошлом, и определенным условиям, которые объединились для создания жизни.

Если вы внесете изменения в эти условия / события хотя бы на небольшое количество, все будет по-другому. Теоретически, сингулярность может изменить эти условия, создав новую, слегка измененную вселенную.

18. Информация может спастись от черной дыры

Что происходит с информацией о частицах, проходящих через черные дыры? Физики пытались ответить на этот вопрос десятилетиями.

Законы квантовой физики утверждают, что информация не может быть уничтожена окончательно. Однако, если информация не может вырваться из черной дыры, то, по сути, она была уничтожена. Это, кажется, нарушает правила квантовой механики.

По словам Стивена Хокинга, информация никогда не попадает в черную дыру.

«Информация хранится не во внутренней части черной дыры, как можно было ожидать, а на ее границе, горизонте событий» — Стивен Хокинг

Когда объект входит в черную дыру, его информация захватывается и сохраняется на горизонте событий. Хотя объект может быть разрушен внутри черной дыры, информация останется размытой на горизонте событий.

Информация может сбежать вместе с излучением Хокинга, но в бесполезной и хаотичной форме. На самом деле, это может произойти в другой вселенной. Хокинг предположил, что черные дыры не являются вечными тюрьмами, которые они когда-то считали.

Документальный фильм про черные дыры

Метки Гравитация Черная дыра

Получена первая в истории фотография черной дыры

В рамках международного проекта «Event Horizon Telescope» астрономам впервые за всю историю наблюдений удалось получить снимок черной дыры, а точнее ее тени, «отбрасываемой» на светящийся диск из перегретого газа и пыли. Неуловимый гравитационный монстр, красующийся на «фотографии века», проживает в сверхгигансткой эллиптической галактике Messier 87 в 54 миллионах световых лет от Земли в направлении созвездия Девы.

«Чтобы получить фотографию черной дыры максимально высокого разрешения мы объединили в одну глобальную сеть восемь мощнейших радиотелескопов, расположенных по всей планете, и направили их в центр галактики Messier 87. Это стало возможным только благодаря международному сотрудничеству и технологическому прогрессу, достигнутому в последние несколько лет», – рассказывает Лучано Реззола, профессор теоретической релятивисткой астрофизики из Франкфуртского университета им. Гете (Германия), один из участников проекта «Event Horizon Telescope».

Фотография сверхмассивной черной дыры в галактике Messier 87. Credit: Event Horizon Telescope

Существование черных дыр следует из Общей теории относительности Альберта Эйнштейна, считающейся сегодня стандартной теорией гравитации, неоднократно подтвержденной экспериментально. Они представляют собой области пространства-времени, гравитационное притяжение которых настолько велико, что покинуть их не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света. Другими словами, все, что подойдет слишком близко черной дыре и будет затянуто за горизонт событий, уже не сможет вырваться обратно.

Однако это теория, и никогда ранее черные дыры, а точнее их тени, не наблюдались напрямую. Проблема в том, что, даже обладая огромными массами, размеры этих объектов не столь велики, чтобы современные телескопы в одиночку могли их рассмотреть с разрешением, позволяющим разделить аккреционный диск, окружающий черную дыру, и горизонт событий.

Смоделированное изображение окружения сверхмассивной черной дыры. Credit: M. Moscibrodzka, T. Bronzwaar & H. Falcke

Чтобы обойти эти технические ограничения несколько лет назад был дан старт проекту «Event Horizon Telescope», целью которого является получения снимков сверхмассивных черных дыр в сердце Млечного Пути и галактики Messier 87. Почему были выбраны именно эти объекты? Все просто. Черная дыра Стрелец А* в нашей Галактике находится ближе всего к Земле, а гигантский монстр в Messier 87 удобен для наблюдений, так как, во-первых, он невероятно массивен, а, во-вторых, сама галактика удачно расположена на небе для отслеживания глобальной сетью.

«В обычной среде мы ожидаем, что свет будет двигаться по прямой. Однако с черной дырой ситуация совсем другая: обладая крайне сильной гравитацией, она отклоняет и изгибает траекторию движения света настолько, что мы фактически можем видеть то, что находится за ней. И, учитывая, что сама по себе черная дыра не излучает свет, ожидаемое изображение представляет собой яркое кольцо, состоящее из всех отклоненных ею лучей. И то, что мы увидели, отлично согласуется с моделями», – добавил Роман Голд из Франкфуртского университета им. Гете, также участник проекта «Event Horizon Telescope».

Расположение радиотелескопов глобальной сети. Credit: ESO

Всего за 2017 и 2018 года «массив размером с Землю» выполнил около 60 часов наблюдений, собрав в общей сложности примерно 10 петабайт данных. Ученые потратили полтора года, чтобы откалибровать и перепроверить гигантский объем информации и, в итоге, преобразовать его в изображение источника – сверхмассивной черной дыры в галактике Messier 87.

«Такой подвиг когда-то считался невозможным, так как черные дыры отбрасывают небольшие, трудно наблюдаемые тени. Но, разместив телескопы по всему миру для создания телескопа размером с Землю, был достигнут этот беспрецедентный результат, предвещающий новую эпоху в исследовании черных дыр и прокладывающий путь для дальнейших научных прорывов», – прокомментировали событие в Европейской южной обсерватории (ESO), чьи телескопы добавляют ощутимую мощь глобальной сети «Event Horizon Telescope».

Художественное представление окружения сверхмассивной черной дыры в гигантской эллиптической галактике Messier 87. На изображении виден разогретый материал, окружающий гравитационного монстра, и выбрасываемый им джет. Credit: ESO/M. Kornmesser

Исследователи отмечают, что теперь у них впервые появилась возможность проверить, насколько хорошо наша физика работает в экстремальных средах, понять движение газа и радиационную среду в окрестностях черных дыр, выяснить, какие теории об этих экзотических объектах верны, а какие будут разрушены, а также получить фотографии и внимательно рассмотреть других кандидатов в черные дыры, чтобы определить, все ли они являются таковыми, или же это другие явления, «маскирующиеся» под этих гравитационных монстров.

Первая фотография черной дыры, полученная с помощью системы радиотелескопов Event Horizon Telescope, стала главной новостью прошлой недели.

Беседовала Светлана Сухова

Как ученые всего мира охотились за черной дырой

Научное сообщество гудит. Для сенсационного заявления использовали сразу шесть мировых площадок — Брюссель, Вашингтон, Сантьяго-де-Чили, Тайбэй, Токио и Шанхай. Озвучка новости шла на четырех языках. И все ради того, чтобы презентовать несколько фото. При этом «красотка» находится страсть как далеко от планеты Земля — в галактике Messier 87, что в скоплении Девы. Сверхмассивный коллапсар превышает по размерам Солнечную систему. Интернет тут же отреагировал на новость массовым перепостом и сотнями мемов. Что дают ученым фотографии черной дыры, «Огоньку» рассказал старший научный сотрудник головного академического института по исследованию и использованию космического пространства (Института космических исследований РАН), кандидат физико-математических наук Олег Цупко.

— Олег Юрьевич, объясните, пожалуйста, не астрономам, что такое черная дыра и что такое тень черной дыры.

— Я бы начал с того, что существование черных дыр является одним из фундаментальных предсказаний Общей теории относительности. Черная дыра представляет собой область пространства — времени, где гравитация настолько сильна, что даже свет не может ее покинуть. Черные дыры создают вокруг себя очень сильное гравитационное поле, поскольку большая масса сосредоточена в очень малых размерах. Настолько сильная гравитация приводит к тому, что лучи света, движущиеся около черной дыры, могут как захватываться черной дырой, так и очень сильно отклоняться и даже двигаться по круговым орбитам. За счет этих эффектов возникает темное изображение черной дыры — так называемая тень черной дыры.

В настоящее время считается, что в центре большинства галактик имеется сверхмассивная черная дыра, с массой в миллионы и даже в миллиарды масс Солнца. Находящийся далеко наблюдатель должен «видеть» черную дыру как темное пятно на небе (на фоне ярких источников). Это пятно и называется тенью черной дыры. В случае сверхмассивных черных дыр пятно видно на фоне света от вещества, находящегося в непосредственной близости от черной дыры. Размер и форма тени зависят от свойств черной дыры и от положения наблюдателя.

— Какое значение для науки имеет фото черной дыры и оправдан ли тот шум, что поднялся в сети после его публикации?

— Значимость этого открытия для Общей теории относительности и для науки в целом сравнима с недавним открытием гравитационных волн (подробнее — см. «Огонек» № 37 за 2018 год). Есть множество других весомых свидетельств существования черных дыр, но полученное изображение тени черной дыры является прямым и наиболее убедительным доказательством их существования. Никогда ранее ученые не могли сказать, что они «видят» черную дыру.

Фотография черной дыры — это тот редкий и приятный случай, когда поднятый шум полностью соответствует научной ценности результата.

Гораздо чаще мы имеем дело с иной ситуацией: когда поднимаемый в СМИ, соцсетях и интернете шум зависит не столько от научной ценности исследования, сколько от того, как эффектно поданы его результаты. А вот в этом случае результат огромной научной работы действительно возможно подать в очень эффектном виде — в виде одной картинки.

— Что знает научный мир сегодня о черных дырах?

— Существует как огромное количество теоретических работ, описывающих свойства черных дыр с самых разных сторон, так и достаточно много убедительных наблюдательных доказательств их существования. Поскольку сейчас речь идет о наблюдательном открытии, остановлюсь на том, какие наблюдательные свидетельства существования черных дыр были у ученых до прошлой недели.

Во-первых, как я уже говорил, считается, что в центре большинства галактик имеется сверхмассивная черная дыра, с массой в миллионы и даже в миллиарды масс Солнца. Например, в центре нашей Галактики находится сверхмассивная черная дыра массой в несколько миллионов масс Солнца. Это установлено по наблюдениям звезд, вращающихся вокруг центра нашей Галактики, в совокупности с оценками размеров области пространства, где этот центральный объект предполагается. Говоря простым языком: ученые видят, что звезды в центре нашей Галактики вращаются вокруг чего-то невидимого, но очень массивного, причем эта огромная масса сосредоточена в очень малых масштабах. Отсюда ученые и приходят к выводу, что это черная дыра.

Кстати, наблюдения тени сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики тоже проводились в проекте Event Horizon Telescope, но результаты пока не обнародованы. (Представленный снимок — это снимок черной дыры в галактике M87.)

Во-вторых, есть черные дыры в так называемых двойных системах — когда черная дыра звездной массы (не сверхмассивная) находится в паре с обычной звездой. В этом случае может возникнуть поток вещества с обычной звезды на черную дыру, увеличивается светимость и появляется яркий источник, который можно наблюдать. Пример такого источника — Лебедь X-1.

В-третьих, важный шаг по подтверждению существования черных дыр был сделан при недавнем открытии гравитационных волн. Полученный сигнал согласуется с тем, что он вызван слиянием двух черных дыр.

Все эти примеры были известны. Но представленный снимок черной дыры — первое прямое и наиболее убедительное на данный момент доказательство существования черных дыр.

— Способно ли эта фото изменить наши представления?

— Черные дыры описываются Общей теорией относительности. Существовали также убедительные наблюдательные свидетельства их существования (см. выше). Поэтому большинство ученых не сомневалось в существовании черных дыр. Тем не менее ученые, честности ради, часто употребляли слова не «черная дыра», а «кандидат в черную дыру». И считалось, что прямым доказательством их существования станет именно наблюдение тени черной дыры, поскольку образование тени связано с движением лучей света в непосредственной близости от черной дыры. Поэтому самый главный вывод состоит в том, что сейчас получено прямое и наиболее убедительное на данный момент доказательство существования черных дыр.

— Черные дыры — весьма далекие от Земли объекты. Почему человечество уделяет им столько внимания?

— Черная дыра — один из самых популярных объектов в астрофизике, причем как для ученых, так и для широкой публики. Объясняется это удивительными свойствами черных дыр, что следует из Общей теории относительности Эйнштейна — одной из самых фундаментальных теорий на данный момент. Поэтому изучение черных дыр и любое подтверждение их существования и свойств вносят огромный вклад в наше понимание того, как вообще устроен мир.

Добавлю, что в нашей научной группе в ИКИ РАН, возглавляемой профессором Геннадием Бисноватым-Коганом, около пяти лет ведутся активные теоретические исследования тени черных дыр. Опубликовано пять работ в одном из самых престижных научных журналов — Physical Review D. В прошлом году мы опубликовали исследование о том, как расширение Вселенной будет влиять на наблюдаемый размер тени черной дыры. Во Вселенной есть сверхмассивные черные дыры, которые гораздо дальше от нас, чем черная дыра в галактике M87. На больших (как говорят, космологических) расстояниях становятся важными эффекты расширения Вселенной. В том числе расширение Вселенной начинает существенно влиять на размер тени сверхмассивной черной дыры. Мы показали, что для очень далеких черных дыр расширение Вселенной приводит к увеличению размера тени. Это важно, поскольку основная проблема в наблюдении тени — ее очень маленький размер на небе. А за счет влияния расширения Вселенной появляется надежда увидеть тень не только ближайших к нам сверхмассивных черных дыр, но и очень-очень далеких. Примечательно, что размер тени сверхмассивной черной дыры на космологических расстояниях может достигать размера тени в галактике M87. Поэтому наше предсказание возможно проверить уже в ближайшем будущем.