No Image

Силуэт черной дыры на фоне ее раскаленного обеда: что на самом деле сфотографировали ученые в космосе (и зачем)

СОДЕРЖАНИЕ
0
04 января 2021
array(3) {
  [0]=>
  array(50) {
    [0]=>
    string(113) "bb218659ac0fd5a74c7e5dacf538cc7f.jpg"
    [1]=>
    string(113) "b0b6f311e9d973d411fd11e2720eb690.jpg"
    [2]=>
    string(113) "e0cbf46f7a4ae0b5aa31e374bb6c38bf.png"
    [3]=>
    string(113) "b4fbc5936108c343a53765536c2ee098.jpg"
    [4]=>
    string(113) "abf600b1b38bcb316e754719e0c7b49a.jpg"
    [5]=>
    string(113) "5d0bd8f2930f0dd92f1106bc6e5084d3.jpg"
    [6]=>
    string(113) "bbf1d336203275978bbec29b190d3cb1.jpg"
    [7]=>
    string(113) "e01d9c7ae93d953a5bc63be73bf0c43f.jpg"
    [8]=>
    string(115) "7977f961c2dda9d24d8b4a4f7a8c92e8.jpeg"
    [9]=>
    string(115) "e7fbd2d15f79a6dc7d3be4c012582e38.jpeg"
    [10]=>
    string(115) "9131bfe54348a3e3ea1062afc2e0a2f1.jpeg"
    [11]=>
    string(115) "c3d235ce2fab3003176c641111b3d3f1.jpeg"
    [12]=>
    string(115) "a2e63cc057ce5250589b9f634e47c944.jpeg"
    [13]=>
    string(115) "10e9c666292db0c6684ea474880a63d2.jpeg"
    [14]=>
    string(115) "50044cd591062a5b2771fce56b4e00c5.jpeg"
    [15]=>
    string(115) "56e24c3946686299a82b5826f507f6ff.jpeg"
    [16]=>
    string(115) "c77feba9fb71c89f2947e28116589f39.jpeg"
    [17]=>
    string(113) "9aa78dff65c4b1d1981dd212a767a213.png"
    [18]=>
    string(115) "481b8acf09cbedef28f0fec3361dbad7.jpeg"
    [19]=>
    string(115) "8b90e2108b954fdb53ce7bebd639316b.jpeg"
    [20]=>
    string(115) "cd79ef92b22d416a12bb3bed5988e951.jpeg"
    [21]=>
    string(115) "e33a4ef364e45181860de59395d1292a.jpeg"
    [22]=>
    string(115) "071bc5710360f7ddb583c073191540b0.jpeg"
    [23]=>
    string(115) "722d3072a0cf9b68f5d0ea0c80e6cb3e.jpeg"
    [24]=>
    string(115) "1b705b65bf2ea93c30c47ce23a8b49a8.jpeg"
    [25]=>
    string(115) "13632e0193f7f8b4cfeb4e250279c2bb.jpeg"
    [26]=>
    string(115) "21fe09e760b5dba27cfe85e9d7426980.jpeg"
    [27]=>
    string(115) "6b5d00b8935315bb5db61f4490ee4907.jpeg"
    [28]=>
    string(115) "5d7b80108b13ab2d6325abcdf6de8de1.jpeg"
    [29]=>
    string(115) "9e8fde0ce27ba68b44f98d73ce75e621.jpeg"
    [30]=>
    string(115) "061048e934eddc370d5a02ba57da555e.jpeg"
    [31]=>
    string(115) "170baf1b2101e221f9c18141cf2bffec.jpeg"
    [32]=>
    string(115) "cf2ed020f5b4acdc087b3ea322eeece9.jpeg"
    [33]=>
    string(113) "010684957f6c28d067626147cd4ee8d2.png"
    [34]=>
    string(115) "e73f436ab8aba6b4cc91175a6707c549.jpeg"
    [35]=>
    string(115) "321489ccfbf8bb3ac37f38217ef3c397.jpeg"
    [36]=>
    string(115) "3719c6e35439e18e391bc007ea77cf9f.jpeg"
    [37]=>
    string(115) "ded4db141e4d2bae341048675d594f9f.jpeg"
    [38]=>
    string(115) "0ee74400ca8a08c927c715978cc0e9f9.jpeg"
    [39]=>
    string(113) "17d3dacbed38ede0f4a8e60ab6f96ee7.png"
    [40]=>
    string(115) "edb1bbf0a51fba1680c65bb418e2d2c6.jpeg"
    [41]=>
    string(115) "2ce07299b9b115a1ed8ee8e02890693f.jpeg"
    [42]=>
    string(113) "31269bc7908e8e247b23c8a97c02c38c.png"
    [43]=>
    string(115) "d6c96d1975a90b5f5eb41f127cbe8af5.jpeg"
    [44]=>
    string(113) "f05fa32a43129b6e5524f3f2ca9663c6.png"
    [45]=>
    string(115) "29be9c015c98f72383e4813d15fb23c1.jpeg"
    [46]=>
    string(113) "1140e446a516cad8a0b52ff203136fb2.png"
    [47]=>
    string(115) "74a1fa89ab6505931cc81da38f5c9a10.jpeg"
    [48]=>
    string(115) "45b7d84a3cdab4c6bf32acac7c137311.jpeg"
    [49]=>
    string(115) "44333c4bc914867c8dc3b3538232d8e4.jpeg"
  }
  [1]=>
  array(50) {
    [0]=>
    string(62) "/wp-content/uploads/b/b/2/bb218659ac0fd5a74c7e5dacf538cc7f.jpg"
    [1]=>
    string(62) "/wp-content/uploads/b/0/b/b0b6f311e9d973d411fd11e2720eb690.jpg"
    [2]=>
    string(62) "/wp-content/uploads/e/0/c/e0cbf46f7a4ae0b5aa31e374bb6c38bf.png"
    [3]=>
    string(62) "/wp-content/uploads/b/4/f/b4fbc5936108c343a53765536c2ee098.jpg"
    [4]=>
    string(62) "/wp-content/uploads/a/b/f/abf600b1b38bcb316e754719e0c7b49a.jpg"
    [5]=>
    string(62) "/wp-content/uploads/5/d/0/5d0bd8f2930f0dd92f1106bc6e5084d3.jpg"
    [6]=>
    string(62) "/wp-content/uploads/b/b/f/bbf1d336203275978bbec29b190d3cb1.jpg"
    [7]=>
    string(62) "/wp-content/uploads/e/0/1/e01d9c7ae93d953a5bc63be73bf0c43f.jpg"
    [8]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/7/9/7/7977f961c2dda9d24d8b4a4f7a8c92e8.jpeg"
    [9]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/e/7/f/e7fbd2d15f79a6dc7d3be4c012582e38.jpeg"
    [10]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/9/1/3/9131bfe54348a3e3ea1062afc2e0a2f1.jpeg"
    [11]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/c/3/d/c3d235ce2fab3003176c641111b3d3f1.jpeg"
    [12]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/a/2/e/a2e63cc057ce5250589b9f634e47c944.jpeg"
    [13]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/1/0/e/10e9c666292db0c6684ea474880a63d2.jpeg"
    [14]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/5/0/0/50044cd591062a5b2771fce56b4e00c5.jpeg"
    [15]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/5/6/e/56e24c3946686299a82b5826f507f6ff.jpeg"
    [16]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/c/7/7/c77feba9fb71c89f2947e28116589f39.jpeg"
    [17]=>
    string(62) "/wp-content/uploads/9/a/a/9aa78dff65c4b1d1981dd212a767a213.png"
    [18]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/4/8/1/481b8acf09cbedef28f0fec3361dbad7.jpeg"
    [19]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/8/b/9/8b90e2108b954fdb53ce7bebd639316b.jpeg"
    [20]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/c/d/7/cd79ef92b22d416a12bb3bed5988e951.jpeg"
    [21]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/e/3/3/e33a4ef364e45181860de59395d1292a.jpeg"
    [22]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/0/7/1/071bc5710360f7ddb583c073191540b0.jpeg"
    [23]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/7/2/2/722d3072a0cf9b68f5d0ea0c80e6cb3e.jpeg"
    [24]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/1/b/7/1b705b65bf2ea93c30c47ce23a8b49a8.jpeg"
    [25]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/1/3/6/13632e0193f7f8b4cfeb4e250279c2bb.jpeg"
    [26]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/2/1/f/21fe09e760b5dba27cfe85e9d7426980.jpeg"
    [27]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/6/b/5/6b5d00b8935315bb5db61f4490ee4907.jpeg"
    [28]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/5/d/7/5d7b80108b13ab2d6325abcdf6de8de1.jpeg"
    [29]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/9/e/8/9e8fde0ce27ba68b44f98d73ce75e621.jpeg"
    [30]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/0/6/1/061048e934eddc370d5a02ba57da555e.jpeg"
    [31]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/1/7/0/170baf1b2101e221f9c18141cf2bffec.jpeg"
    [32]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/c/f/2/cf2ed020f5b4acdc087b3ea322eeece9.jpeg"
    [33]=>
    string(62) "/wp-content/uploads/0/1/0/010684957f6c28d067626147cd4ee8d2.png"
    [34]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/e/7/3/e73f436ab8aba6b4cc91175a6707c549.jpeg"
    [35]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/3/2/1/321489ccfbf8bb3ac37f38217ef3c397.jpeg"
    [36]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/3/7/1/3719c6e35439e18e391bc007ea77cf9f.jpeg"
    [37]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/d/e/d/ded4db141e4d2bae341048675d594f9f.jpeg"
    [38]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/0/e/e/0ee74400ca8a08c927c715978cc0e9f9.jpeg"
    [39]=>
    string(62) "/wp-content/uploads/1/7/d/17d3dacbed38ede0f4a8e60ab6f96ee7.png"
    [40]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/e/d/b/edb1bbf0a51fba1680c65bb418e2d2c6.jpeg"
    [41]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/2/c/e/2ce07299b9b115a1ed8ee8e02890693f.jpeg"
    [42]=>
    string(62) "/wp-content/uploads/3/1/2/31269bc7908e8e247b23c8a97c02c38c.png"
    [43]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/d/6/c/d6c96d1975a90b5f5eb41f127cbe8af5.jpeg"
    [44]=>
    string(62) "/wp-content/uploads/f/0/5/f05fa32a43129b6e5524f3f2ca9663c6.png"
    [45]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/2/9/b/29be9c015c98f72383e4813d15fb23c1.jpeg"
    [46]=>
    string(62) "/wp-content/uploads/1/1/4/1140e446a516cad8a0b52ff203136fb2.png"
    [47]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/7/4/a/74a1fa89ab6505931cc81da38f5c9a10.jpeg"
    [48]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/4/5/b/45b7d84a3cdab4c6bf32acac7c137311.jpeg"
    [49]=>
    string(63) "/wp-content/uploads/4/4/3/44333c4bc914867c8dc3b3538232d8e4.jpeg"
  }
  [2]=>
  array(50) {
    [0]=>
    string(36) "bb218659ac0fd5a74c7e5dacf538cc7f.jpg"
    [1]=>
    string(36) "b0b6f311e9d973d411fd11e2720eb690.jpg"
    [2]=>
    string(36) "e0cbf46f7a4ae0b5aa31e374bb6c38bf.png"
    [3]=>
    string(36) "b4fbc5936108c343a53765536c2ee098.jpg"
    [4]=>
    string(36) "abf600b1b38bcb316e754719e0c7b49a.jpg"
    [5]=>
    string(36) "5d0bd8f2930f0dd92f1106bc6e5084d3.jpg"
    [6]=>
    string(36) "bbf1d336203275978bbec29b190d3cb1.jpg"
    [7]=>
    string(36) "e01d9c7ae93d953a5bc63be73bf0c43f.jpg"
    [8]=>
    string(37) "7977f961c2dda9d24d8b4a4f7a8c92e8.jpeg"
    [9]=>
    string(37) "e7fbd2d15f79a6dc7d3be4c012582e38.jpeg"
    [10]=>
    string(37) "9131bfe54348a3e3ea1062afc2e0a2f1.jpeg"
    [11]=>
    string(37) "c3d235ce2fab3003176c641111b3d3f1.jpeg"
    [12]=>
    string(37) "a2e63cc057ce5250589b9f634e47c944.jpeg"
    [13]=>
    string(37) "10e9c666292db0c6684ea474880a63d2.jpeg"
    [14]=>
    string(37) "50044cd591062a5b2771fce56b4e00c5.jpeg"
    [15]=>
    string(37) "56e24c3946686299a82b5826f507f6ff.jpeg"
    [16]=>
    string(37) "c77feba9fb71c89f2947e28116589f39.jpeg"
    [17]=>
    string(36) "9aa78dff65c4b1d1981dd212a767a213.png"
    [18]=>
    string(37) "481b8acf09cbedef28f0fec3361dbad7.jpeg"
    [19]=>
    string(37) "8b90e2108b954fdb53ce7bebd639316b.jpeg"
    [20]=>
    string(37) "cd79ef92b22d416a12bb3bed5988e951.jpeg"
    [21]=>
    string(37) "e33a4ef364e45181860de59395d1292a.jpeg"
    [22]=>
    string(37) "071bc5710360f7ddb583c073191540b0.jpeg"
    [23]=>
    string(37) "722d3072a0cf9b68f5d0ea0c80e6cb3e.jpeg"
    [24]=>
    string(37) "1b705b65bf2ea93c30c47ce23a8b49a8.jpeg"
    [25]=>
    string(37) "13632e0193f7f8b4cfeb4e250279c2bb.jpeg"
    [26]=>
    string(37) "21fe09e760b5dba27cfe85e9d7426980.jpeg"
    [27]=>
    string(37) "6b5d00b8935315bb5db61f4490ee4907.jpeg"
    [28]=>
    string(37) "5d7b80108b13ab2d6325abcdf6de8de1.jpeg"
    [29]=>
    string(37) "9e8fde0ce27ba68b44f98d73ce75e621.jpeg"
    [30]=>
    string(37) "061048e934eddc370d5a02ba57da555e.jpeg"
    [31]=>
    string(37) "170baf1b2101e221f9c18141cf2bffec.jpeg"
    [32]=>
    string(37) "cf2ed020f5b4acdc087b3ea322eeece9.jpeg"
    [33]=>
    string(36) "010684957f6c28d067626147cd4ee8d2.png"
    [34]=>
    string(37) "e73f436ab8aba6b4cc91175a6707c549.jpeg"
    [35]=>
    string(37) "321489ccfbf8bb3ac37f38217ef3c397.jpeg"
    [36]=>
    string(37) "3719c6e35439e18e391bc007ea77cf9f.jpeg"
    [37]=>
    string(37) "ded4db141e4d2bae341048675d594f9f.jpeg"
    [38]=>
    string(37) "0ee74400ca8a08c927c715978cc0e9f9.jpeg"
    [39]=>
    string(36) "17d3dacbed38ede0f4a8e60ab6f96ee7.png"
    [40]=>
    string(37) "edb1bbf0a51fba1680c65bb418e2d2c6.jpeg"
    [41]=>
    string(37) "2ce07299b9b115a1ed8ee8e02890693f.jpeg"
    [42]=>
    string(36) "31269bc7908e8e247b23c8a97c02c38c.png"
    [43]=>
    string(37) "d6c96d1975a90b5f5eb41f127cbe8af5.jpeg"
    [44]=>
    string(36) "f05fa32a43129b6e5524f3f2ca9663c6.png"
    [45]=>
    string(37) "29be9c015c98f72383e4813d15fb23c1.jpeg"
    [46]=>
    string(36) "1140e446a516cad8a0b52ff203136fb2.png"
    [47]=>
    string(37) "74a1fa89ab6505931cc81da38f5c9a10.jpeg"
    [48]=>
    string(37) "45b7d84a3cdab4c6bf32acac7c137311.jpeg"
    [49]=>
    string(37) "44333c4bc914867c8dc3b3538232d8e4.jpeg"
  }
}

Как образуются чёрные дыры

Такие большие объекты, как звёзды, обладают большой гравитацией. Вся материя звезды всегда притягивается к центру, но термоядерные реакции не позволяют ей схлопнуться. То есть с одной стороны работает притяжение, а с другой давление, которое удерживает форму звезды.

Самой популярной считается теория, что чёрная дыра — это конечная стадия жизни звезды с очень большой массой, превышающей как минимум массу 20 Солнц. Когда внутри такой звезды прекращаются термоядерные реакции (заканчивается топливо), то под действием своей огромной гравитации она ускоренно сжимается в нейтронную звезду. В зависимости от своей начальной массы, она может остаться сверхплотной нейтронной звездой либо продолжить сжиматься с такой силой, что даже свет не сможет покинуть её пределы — это и будет чёрная дыра.

Рекомендуем: Что такое магнитная буря

Существует и другой сценарий, когда все те же процессы происходят с межзвёздным газом, находящимся на стадии превращения в галактику или какое-то скопление. Если внутреннее давление не может компенсировать гравитацию, то вся материя начинает сжиматься, что приводит к образованию чёрной дыры.

Сверхчувствительность антенн Event Horizon Telescope

Здесь важно уяснить, что в рамках такого гигантского удаления исследуемых объектов от Земли соответствует крайне малой мощности их радиоисточников. Если рассмотреть сигнал в рамках радиодиапазона от 0 до 1000ГГц, то суммарная мощность излучения Стрелец A составляет примерно 2 × 10^28 Вт

Но если выделить на Земле лишь только радиодиапазон для Event Horizon Telescope, то спектральная плотность мощности излучения падает до ничтожно малых — 3 Янских, что в сравнении с обычным телевизионным сигналом составляет на 10 порядков ниже.

Обычная антенна Event Horizon Telescope (EHT) имеет диапазон приема 8 ГГц при ее диаметре в 10 м. Грубый расчет показывает, что при величине мощности EHT антенн в 10^-16 Вт, принимаемый их сигнал слабее обычного телевизионного в миллард раз!

Были ли получены до настоящего времени какие-либо изображения? Да, в 1979 году астрофизик Жан-Пьер Люмине получил изображение на основании математических расчетов.

Полученные расчеты были «скормлены» компьютеру IBM 7040, в результате чего на картинке можно было увидеть смоделированное представление очертания черной дыры.

Нынешнее же изображение получено астрономами (астрономами) в результате совместной работы двух проектов GMVA и EHT, объединяющие в себя многолчисленные телескопы, расположенные на таких континентах как: Южная Америка, Северная Америка, Антарктида, Европа, Гавайи. Стоит подчеркнуть, что изображение носит уже не математически смоделированное фото, а визуальное отображение оптических систем — телескопов.

Что мы видим на изображении чёрной дыры?

Как уже отмечалось, саму чёрную дыру увидеть нельзя, она практически не излучает. Но если её окружает светящееся вещество, то должна наблюдаться картина в виде светящегося кольца с тёмной областью в центре, которую называют тенью чёрной дыры. Название неудачное, поскольку тёмная область — не тень. Скорее, надо говорить о силуэте чёрной дыры. Правда, размер этого силуэта примерно в 2,6 раза больше размера горизонта событий. Вид силуэта определяется сильной гравитацией чёрной дыры. Разберёмся с этим подробнее.

Гравитация чёрной дыры не отпускает от неё свет. Однако на расстоянии 1,5RS существуют орбиты, по которым свет может двигаться вокруг чёрной дыры по окружности. Все пойманные в своеобразную ловушку фотоны образуют так называемую фотонную сферу. Эти орбиты неустойчивы. Фотоны, приблизившиеся к чёрной дыре, поглощаются ею, а удалившиеся от неё — убегают в космос. Благодаря последним наблюдатель со стороны может увидеть в области тени узкое светящееся кольцо, соответствующее фотонной сфере. Правда, пока изображение получено с недостаточным разрешением, и рассмотреть на нём это кольцо невозможно.

У чёрной дыры в центре галактики M87 излучающий аккреционный диск располагается под небольшим углом к плоскости, перпендикулярной направлению на Землю. В этом случае на полученном изображении как раз и будет видно светящееся кольцо с тёмной тенью в центре, но каким будет её радиус?

Чтобы разобраться, проще рассмотреть обратный процесс: будем обстреливать чёрную дыру фотонами. Прохождение фотона мимо чёрной дыры можно охарактеризовать прицельным параметром b — минимальным расстоянием, на которое он бы приблизился к центру чёрной дыры, если бы двигался по прямой без учёта её гравитации. Геометрически это длина перпендикуляра из центра чёрной дыры на эту прямую. Вдали от чёрной дыры фотон и движется по этой прямой. Гравитация искривляет его траекторию, причём тем сильнее, чем меньше b. Если прицельный параметр станет меньше

27RS2≈2,6RS,

то на своём пути вокруг чёрной дыры фотон пересечёт фотонную сферу и будет поглощён горизонтом событий. Если теперь развернуть движение фотонов в обратную сторону, то станет ясно, что из области вокруг чёрной дыры с радиусом 2,6RS излучение к наблюдателю не попадает, поскольку начала лучей для неё лежат на горизонте событий. Можно сказать, что здесь наблюдатель видит его «лицо» и «затылок». Это и будет «тень» чёрной дыры с радиусом 2,6RS. Вращение чёрной дыры немного изменит значение, но не более чем на 4%.

Интересно посмотреть, что будет в случае, когда аккреционный диск повёрнут к наблюдателю ребром? Будем ли мы наблюдать что-то помимо полоски диска, аналогичной той, которую увидим, повернув к себе ребром монету? На первый взгляд кажется, что мы ничего другого не увидим, но это — ошибочное мнение. Здесь опять вмешивается эффект искривления лучей в сильном гравитационном поле. Излучение от задней, невидимой нам половины аккреционного диска благодаря гравитации обогнёт чёрную дыру со всех сторон, и мы снова увидим вокруг тёмного силуэта светящееся кольцо с тем же радиусом «тени». Подобную чёрную дыру можно увидеть в фильме «Интерстеллар».

Отчётливо видно, что полученное ЕНТ изображение несимметрично — снизу оно значительно ярче. Это результат так называемого доплеровского усиления, из-за которого излучение вещества, движущегося на нас, будет ярче, чем удаляющегося от нас.

Виды черных дыр

Изучение Вселенной позволило ученым выявить четыре вида черных дыр, обладающих определенными особенностями.

Черные дыры звездных масс

Черная дыра звездной массы

Этот вид черных дыр появляется после выгорания топлива в звезде. Когда термоядерная реакция внутри светила прекращается, оно начинает остывать и сжиматься из-за сильной гравитации. Если на определенном этапе процесс остановится, то объект превратится в нейтронную звезду. Но если он продолжится, то в конечном итоге из-за гравитационного коллапса светило станет черной дырой.

Сверхмассивные черные дыры

Сверхмассивная черная дыра

Представители данного класса обладают гигантскими размерами и большой массой. Не так давно американские ученые доказали, что данные объекты обладают гораздо большим весом, чем считалось ранее. Например, по предварительным оценкам, масса черной дыры, расположенной в центре галактики М87, равнялась трем миллиардам солнечных. Но более детальные исследования показали, что этот параметр значительно выше. Для того, чтобы черная дыра способствовала вращению звезд в галактике, она должна весить 6,5 млрд солнечных масс.

Интересный факт: в большинстве случаев сверхмассивная черная дыра располагается в центре галактики и выполняет роль ядра.

Сверхмассивные черные дыры могут появляться как из звезд, так и из газовых облаков. При этом они поглощают большое количество материала из пространства, продолжая наращивать вес и габариты.

Первичные черные дыры

Один из вариантов изображения первичной черной дыры

Существование первичных черных дыр во Вселенной пока не доказано. Считается, что если на ранних этапах формирования космоса в гравитационных полях возникали колебания и появлялись сильные отклонения в их однородности, это могло способствовать образованию подобных объектов. Если первичные черные дыры существуют, то они обладают небольшой массой, которая может быть даже меньше, чем у Солнца.

Квантовые черные дыры

Изображение квантовой реакции при столкновении протонов

Квантовые черные дыры должны образовываться в результате ядерных реакций, в которых задействовано большое количество энергии, равное 10^26 эВ и более. Однако на данный момент человечество не способно преодолеть данный порог, поэтому этот тип объектов имеет лишь теоретическое существование.

Считается, что получить квантовую черную дыру можно в результате столкновения протонов. И если во время процесса выделится много энергии, его результатом станет появление простейшей частицы – максимона. Ее и можно будет считать квантовой черной дырой. Радиус объекта будет примерно 10^-35 м, а масса 10^-5 г, что делает максимон самой тяжелой элементарной частицей.

Зачем землянам изображение черной дыры?

Снимок подтверждает как сам факт существования черных дыр — хотя в нем никто и так не сомневался, — так и то, насколько точны наши представления о них и бублике из пожираемой ими материи. Попутно он позволил несколько уточнить размеры и, соответственно, массу сверхмассивной черной дыры в центре эллиптической (округлой) галактики М87 в 53,5 миллиона световых лет от нас. М87 оказалась очень солидной дырой — в 6,5 миллиарда раз массивнее Солнца. Диаметр ее — 30 миллиардов километров. То есть если взять центральную часть Солнечной системы — от Солнца до Плутона — и засунуть ее внутрь этой черной дыры, то все наши планеты там спокойно поместятся и еще останется немало дополнительного места.

Другая примечательная деталь: судя по новым снимкам, черная дыра М87 вращается с огромной скоростью, более 90% от теоретически возможной. С близкой скоростью вращается и бублик материи вокруг нее. Такая огромная скорость вращения получена для черной дыры впервые и очень интересна. Дело в том, что черная дыра вращается тем быстрее, чем больше вещества упало на нее за всю ее историю. Получается, М87 не только сейчас активно пожирает материю (что и так видно на снимке ее тени), но и делает это уже миллиарды лет подряд без заметных пауз. Это очень резко отличает ее от поведения большинства черных дыр, которые «питаются» намного скромнее. Было бы неплохо понять, почему М87 такая особенная и что вообще определяет аппетит таких опасных объектов, как крупная черная дыра.


Модель сверхмассивной черной дыры M87

Но и это, пожалуй, далеко не самое важное в полученном результате. Дело в том, что черные дыры, по сути, ключевые действующие лица в окружающей нас Вселенной

Если взглянуть на почти все известные галактики, в центре каждой из них лежит сверхмассивная черная дыра (и в нашем Млечном Пути — тоже). И они там вовсе не для красоты: тяготение таких сверхмассивных объектов «собирает» вокруг себя ядро каждой галактики и в конечном счете саму галактику. Без черной дыры в центре материя не могла бы быстро собраться в достаточно плотные структуры. А значит, и образование звезд, и эволюция планетных систем шли бы куда медленнее.

Из этого легко понять, зачем нужно изучать черные дыры: чтобы понимать, как работает Вселенная вокруг нас, надо знать, как работает главный «сборочный механизм» в ее галактике.


Струя плазмы от сверхмассивной черной дыры в галактике М87, снимок в радиодиапазоне

Приведем простой пример. Черную дыру в центре галактики М87 удалось снять с высоким качеством потому, что эта дыра очень активно «глотает» вещество и перед приемом «пищи» сильно ее нагревает (трением частиц поглощаемого вещества друг о друга). Бублик этой материи от нагрева дает жесткое рентгеновское излучение, а вверх и вниз от черной дыры бьют струи горячей плазмы, разогнанной до десятков и сотен тысяч километров в секунду. Если бы эта иллюминация состоялась в нашей Галактике, то спецэффекты от нашей сверхмассивной черной дыры было бы видно на Земле и днем и ночью.


Струя плазмы от сверхмассивной черной дыры в галактике М87, снимок космчиеского телескопа «Хаббл»

Согласно ряду научных работ, два-три миллиона лет назад все так и было. И тогда наша планета могла получать солидное количество жесткого излучения из центра Галактики, где лежит «местная» галактическая черная дыра Стрелец А*. Что будет, если Стрелец А* перейдет от своего нынешнего «голодного» существования к активному пожиранию материи, как в Галактике М87? Не будет ли это угрожать земной жизни? Можно ли предсказать такое событие заранее и насколько оно опасно? Все это — вопросы, ответы на которые хорошо бы знать заранее, а не тогда, когда будет уже слишком поздно.

Черную дыру трудно увидеть, потому что она черная?

Нет. То есть, да. Это правда: черные дыры — черные. Обычно мы видим всякие звезды и все такое, потому что свет, который они излучают, доходит до наших телескопов (или прямо в наши глаза), и мы его регистрируем. Черные дыры действительно черные. Они не излучают видимого света (из-за сложных гравитационных фокусов), поэтому их не видно.

Но это не большая проблема. Если бы черная дыра была у нас в Солнечной системе, вы бы ее увидели. Вы увидели бы искривление пространства ее присутствием и увидели бы вещество, которое вращается вокруг этой воронки. Если вы видели фильм «Интерстеллар», в нем приблизительно точно показана визуализация черной дыры — ее делали с помощью астрофизика Кипа Торна.

Черную дыру трудно увидеть, потому что она крошечная. Ну, хорошо, не такая крошечная, как муравей, например. Она крошечная в том смысле, что человек крошечный, если смотреть на него с расстояния километра. Лучшим термином будет угловой размер. Если вы повернете голову по кругу, вы получите круговой обзор на 360 градусов (но не забывайте повернуть и тело, а то шею свернете). Если вы будете держать большой палец на расстоянии вытянутой руки, это примерно полградуса углового размера. У Луны примерно такой же угловой размер, поэтому вы можете прикрыть ее большим пальцем.

Что же насчет размеров черной дыры? Да, она огромна. А еще она на расстоянии 55 миллионов световых лет. Это значит, что для того, чтобы свету добраться так далеко, ему потребуется 55 миллионов лет. Это невероятно далеко. Но в действительно нам мешает угловой размер. У черной дыры (по крайней мере, ее видимой части) угловой размер — около 40 микроарксекунд.

Что такое микроарксекунда? Как вы знаете, круг разбит на градусы (и уже давно). Каждый градус можно разбить на 60 угловых минут, а каждая минута — это 60 арксекунд. Если разбить арксекунду на миллион частей, получится микроарксекунда. Помните, что угловой размер Луны — 0,5 градуса (если смотреть с Земли)? Это значит, что угловой размер Луны в 45 миллионов раз больше, чем размер черной дыры. Черная дыра крошечная с точки зрения углового размера.

Но это еще не все. Из-за дифракции мы не можем видеть вещи крошечных угловых размеров. Когда свет проходит сквозь отверстие (например, попадает в телескоп или в глаз), он рассеивается. Он изгибается таким образом, что мешает остальному свету, проходящему через отверстие. В случае с глазом, это означает, что люди могут разобрать объекты с угловым размером около 1 аркминуты.

И это так же означает, что что-то настолько крошечных угловых размеров, как черная дыра, сложно поймать на фото.

О «фотографии черной дыры»

«Фотография черной дыры» представляет собой светящееся кольцо вокруг горизонта событий черной дыры, и для того чтобы его увидеть, нужно иметь экстремальное угловое разрешение. Ни один телескоп, который вы когда-либо видели в своей жизни, не в состоянии иметь настолько высокое угловое разрешение, чтобы различить мельчайшие детали таких объектов. Для этого понадобилась целая система — интерферометр.

Увидеть саму черную дыру невозможно: она черная, она поглощает весь свет, который излучается вокруг нее, поэтому мы просто видим кольцо из света, который генерирует диск материи, окружающий черную дыру. Система, получившая в результате астрономических наблюдений необходимые данные, чтобы визуализировать черную дыру, называется The Event Horizon Telescope («Телескоп горизонта событий»). Она состоит из восьми антенн, наиболее важная из которых под именем ALMA находится в Чили на высоте пяти километров над уровнем моря. Она самая большая и, соответственно, самая чувствительная.

То, что измеряет интерферометр, — это не фотография. Это очень хитрые величины, которые позволяют ученым восстановить изображение черной дыры. Представьте, что я строитель, который создает гигантский телескоп размером с планету Земля, и все, что я сделал, — это выстроил каркас и пока не проложил по нему зеркала. Фактически каждая подобная пара телескопов позволяет мне положить на каркас несколько новых зеркал. И чем больше таких пар телескопов участвует в моей системе интерферометра, тем плотнее я заполняю каркас зеркалами и тем больше результатов измерений более высокого качества я получаю, чтобы восстановить изображение исследуемого космического объекта.

Для того чтобы улучшить качество получаемой картинки, можно применить два подхода. Первый — построить больше телескопов. Второй — вращать Землю. Ученые пока что делают акцент на втором методе, потому что Земля и так вращается — мы к этому даже сил не прикладываем, — а телескопы стоят дорого. Именно таким образом все лучше и лучше заполняется зеркалами наш пустой каркас, все качественнее и качественнее восстанавливается изображение тени черной дыры.

Как выглядит черная дыра

Технически, это картина тени черной дыры: в частности, сверхмассивной черной дыры — монстра с 6,5 миллиарда солнечных масс в 55 миллионах световых годах от Земли — в центре галактики Messier 87. Черные дыры захватывают все, что падает внутрь, включая свет, поэтому они черные. В некотором смысле, они принципиально невидимые, односторонние космические люки, ведущие… непонятно куда. Но из-за того, как они деформируют пространство, они оставляют темный силуэт на пылающей, перегретой материи, которая их окружает. Именно эту сцену запечатлел и явил миру EHT.

C 1960-х годов, когда косвенные астрономические свидетельства и прорывы в теоретической физике сделали существование черных дыр практически бесспорным, эти объекты оказались в подвешенном состоянии: они были наиболее вероятным объяснением всевозможных необъяснимых явлений, но увидеть их не представлялось возможным.

В конце 1990-х годов все изменилось: астрономы по всему миру начали строить мощные высокочастотные радиообсерватории на возвышенностях Гавайев, Мексики, Чили и Южного полюса. Астрофизики-теоретики рассчитали, что теоретическое объединение этих телескопов с использованием метода под названием интерферометрия со сверхдлинными базами может позволить им увидеть тени сверхмассивных черных дыр, которые были достаточно большими и близкими к Земле. Самым большим призом всегда была черная дыра Стрелец A*, в четыре миллиона солнечных масс в центре Млечного Пути. Стрелец А* остается невидимым — по крайней мере, для публики. Но M87, единственная другая известная черная дыра в пределах досягаемости EHT, теперь попала на фото.

Обычно крупные научные открытия вроде такого быстро находят свой путь в массы, но в этот раз астрономы показали удивительную скрытность. Франс Кордова, директор National Science Foundation — которая вложила 28 миллионов долларов в ETH за долгие годы — впервые увидела снимок сегодня утром на пресс-конференции. Он растрогал ее до слез.

NSF и другие финансирующие учреждения пообещали, что результат будет «ошеломляющим» — и он таким и получился. Все-таки, мы получили первое прямое доказательство существования горизонта событий, определяющего границу черной дыры. Но любой, кто надеялся, что этот первый снимок разрушит железную строгость общей теории относительности Эйнштейна, разочаровался: черная дыра выглядит в точности так, как ее рисовали сто лет.

Но этот первый снимок — только начало. Со времени наблюдения 2017 года массив EHT уже вырос в размерах и остроте, к нему присоединился новый телескоп и присоединится еще один, а на каждом из объектов размещается более мощное оборудование для цифровой обработки сигналов. В будущем к EHT присоединятся все возможные телескопы для наблюдения M87, Стрельца А* и других черных дыр, одновременно и в разных диапазонах длин волн — радио, рентгеновском, гамма-лучевом, инфракрасном и оптическом.

Стоит также отметить, что за два часа после пресс-конференции в Интернете появилось не менее шести научных работ на тему наблюдения черной дыры. Они почти наверняка содержат новые догадки и вопросы, которые мы попытаемся нащупать и обнародовать в ближайшее время. Но задумайтесь на минутку вот о чем: разве не странно и не удивительно, что разумные двуногие, использующие инструменты в маленьком мире на задворках Солнечной системы, сумели каким-то образом превратить свою планету в телескоп и сфотографировать «выход» из Вселенной?

Давайте обсудим в нашем чате в Телеграме.

Структура и физика черных дыр

Схема строения черной дыры

Любая черная дыра имеет два основных элемента. Горизонт событий – границу, при пересечении которой объект гарантированно окажется в гравитационном поле, и сингулярность. Последняя наполняет внутреннюю область. Ученые до сих пор не могут определить, что именно находится в ней. Известно, что внутри искажается время и пространство, не действуют законы физики.

Когда черная дыра вращается, вокруг горизонта событий появляется эргосфера. Находящиеся в этой области объекты также движутся в этом направлении. Однако притяжение действует недостаточно сильно, чтобы затягивать их в сингулярность. Соответственно, объекты могут покинуть эргосферу.

Интересный факт: чем больше весит черная дыра, тем меньше ее плотность. Это связано с тем, что с увеличением веса ее объем растет большими темпами.

Типы Чёрных дыр

До сих пор астрономы выделяли три типа черных дыр: звездные черные дыры, сверхмассивные черные дыры и промежуточные черные дыры.

Звездные чёрные дыры

Когда звезда сжигает остатки своего топлива она может сжаться. Для более мелких звезд (которые примерно в три раза превышают массу Солнца) новое ядро станет нейтронной звездой или белым карликом. Но когда большая звезда коллапсирует, она продолжает сжиматься и создает звездную черную дыру .

Черные дыры, образованные коллапсом отдельных звезд, относительно невелики, но имеют очень большую плотность. Один из таких объектов содержит более чем в три раза больше массы Солнца. Это приводит к сумасшедшему количеству гравитационной силы, притягивающей объекты вокруг чёрной дыры. Затем звездные черные дыры поглощают пыль и газ из окружающих их галактик, что позволяет им расти в размерах.

Согласно данным Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, — Млечный Путь содержит несколько сотен миллионов звездных черных дыр.

Сверхмассивные черные дыры

Маленькие черные дыры населяют бесконечную вселенную, но их родственники, — сверхмассивные черные дыры, — доминируют над ними. Эти огромные черные дыры в миллионы или даже миллиарды раз массивнее Солнца, но примерно одинакового размера в диаметре. Считается, что такие черные дыры лежат в центре почти каждой галактики, включая Млечный Путь.

Возникновение:

Ученые не уверены, как возникают такие большие черные дыры. Как только эти гиганты сформировались, они собирают массу из пыли и газа вокруг себя, материала, который в изобилии находится в центре галактик, что позволяет им расти до еще более огромных размеров.

  • Сверхмассивные черные дыры могут быть результатом слияния сотен или тысяч крошечных черных дыр. 
  • Большие газовые облака также могут быть причастны к формированию сверхмассивной дыры, — схлопываясь вместе, они быстро наращивают массу. 
  • Третий вариант — это коллапс звездного скопления, когда все звезды падают вместе. 
  • В-четвертых, сверхмассивные черные дыры могут возникать из больших скоплений темной материи. Это вещество, которое мы можем наблюдать через его гравитационное воздействие на другие объекты; однако мы не знаем, из чего состоит темная материя, потому что она не испускает свет и не может быть непосредственно наблюдаема.

Промежуточные черные дыры

Ученые когда-то думали, что черные дыры бывают только малых и больших размеров, но недавние исследования показали возможность существования средних или промежуточных черных дыр (IMBHs). Такие тела могут образовываться, когда звезды в скоплении сталкиваются в цепной реакции. Некоторые из этих промежуточных черных дыр, образующихся в одной и той же области, могут затем в конечном итоге столкнуться в центре галактики и создать сверхмассивную черную дыру.

В 2014 году астрономы обнаружили нечто похожее на черную дыру средней массы в рукаве спиральной галактики.

Астрономы очень усердно искали эти черные дыры среднего размера, — говорится в заявлении соавтора исследования Тима Робертса из Университета Дарема в Великобритании. Были намеки, что они существуют, но IMBHs вели себя как давно потерянный родственник, который не заинтересован в том, чтобы его нашли.

Более новые исследования, начиная с 2018 года, предположили, что эти промежуточные черные дыры могут существовать в центре карликовых галактик (или очень маленьких галактик). Наблюдения 10 таких галактик (пять из которых были ранее неизвестны науке до этого последнего исследования) выявили рентгеновскую активность — обычную для черных дыр — предполагая наличие в них черных дыр с массой от 36 000 до 316 000 солнечных масс. Эта информация поступила от компании Sloan Digital Sky Survey, которая изучает около 1 миллиона галактик.

Комментировать
0