Что такое черные дыры? – МИА “МИР”
16 июня — Молодежные новости. Что такое черные дыры? Самое загадочное и малоизученное явление во Вселенной. Кто-то считает, что это своеобразные порталы между далекими галактиками. Давай же отбросим сомнения и узнаем, что говорят учёные!
Что такое чёрная дыра?
Черная дыра – это место в космосе, где гравитация тянет так сильно, что даже свет не может выйти. Гравитация настолько сильна, потому что материя была сжата в крошечное пространство. Это может случиться, когда звезда умирает.
Поскольку никакой свет не может выйти, люди не могут видеть черные дыры. Они невидимы. Космические телескопы со специальными инструментами могут помочь найти черные дыры. Специальные инструменты могут видеть, как звезды, которые находятся очень близко к черным дырам, действуют иначе, чем другие звезды.
Насколько чёрные дыры большие?
Черные дыры могут быть большими или маленькими.
Ученые считают, что самые маленькие черные дыры имеют размер всего один атом. Эти черные дыры почти крошечные, но имеют массу большой горы. Масса – это количество материи или «материала» в объекте.
Другой вид черной дыры называется «звездным». Его масса может быть в 20 раз больше массы Солнца. В Млечном пути может быть множество черных дыр звездной массы.
Самые большие черные дыры называются «сверхмассивными». Эти черные дыры имеют массы, которые составляют более 1 миллиона Солнц вместе. Ученые нашли доказательства того, что каждая большая галактика содержит сверхмассивную черную дыру в своем центре. Сверхмассивная черная дыра в центре галактики Млечный Путь называется Стрелец А. Она имеет массу, равную примерно 4 миллионам Солнц, и поместится внутри очень большого шара, который может вместить несколько миллионов планет, похожих на Землю.
Как черные дыры могут повлиять на Землю?
Черные дыры не перемещаются в космосе. Земля не упадет в черную дыру, потому что ни одна черная дыра не находится достаточно близко к Солнечной системе.
Даже если на место Солнца придет черная дыра той же массы, что и у звезды, Земля все равно не сместится. У такой черной дыры сохранилась бы сила тяжести. Земля и другие планеты просто вращались бы вокруг черной дыры, как они вращаются сейчас вокруг Солнца.
Но подмена Солнца черной дырой нам не грозит, так как она недостаточно большая звезда для этой метаморфозы.
Разобравшись с тем, что собой представляет этот космический объект, давайте представим, что в теории, произойдёт с нами, если мы подлетим к ней слишком близко.
Что произойдет с человеком внутри черной дыры?
Если такое случится, то финал может быть удивительным! В тот момент, когда человек попадает в черную дыру, реальность словно разделяется надвое. Внутри черной дыры не действуют привычные нам законы физики. Согласно Альберту Эйнштейну, гравитация искривляет пространство. Таким образом, при наличии объекта достаточной плотности пространственно-временной континуум вокруг него может деформироваться настолько, что в самой реальности образуется прореха.
Какой бы безопасной теперь эта идея не казалась, это всего лишь теория, никто не знает, что произойдёт в действительности. Поэтому, если в ближайшее время ты отправишься покорять просторы галактики, настоятельно рекомендуем держаться от чёрных дыр на дистанции.
Текст: Меликов Дмитрий
Фото: Pixabay
Интересные факты о черных дырах
Весной 2019-го интернет облетела фотография черной дыры (точнее, ее «силуэта»). Пресс-конференцию, где были представлены результаты научного открытия, провели сразу в шести городах — от Вашингтона до Брюсселя и Токио. Давайте разберемся, что такое черная дыра, что произойдет с человеком внутри нее, откуда они вообще берутся и почему вот уже десятки лет они будоражат наше сознание своей таинственностью.
«Космический тупик»
Черная дыра — это область пространства-времени, обладающая настолько сильным гравитационным притяжением, что никакие частицы либо электромагнитное излучение не могут ее покинуть.
Граница этой области называется горизонтом событий.
С точки зрения астрофизики, черные дыры — это финальная стадия эволюции звезд. Астрофизические черные дыры представляют собой небольшие по размерам, но очень массивные космические объекты, совсем не излучающие света и других электромагнитных волн. Например, черная дыра в далекой галактике M87, которую удалось запечатлеть ученым, имеет размер, сравнимый с нашей Солнечной системой. По массе она превосходит Солнце в 6,5 млрд раз. По этому показателю ученые выделяют черные дыры звездной массы, промежуточной массы и сверхмассивные черные дыры.
Как образуются и исчезают черные дыры?
Черные дыры звездных масс представляют собой конечную стадию эволюции массивных звезд. После исчерпания водородно-гелиевого «топлива» в центре такого светила оно начинает сжиматься, поскольку внутреннее давление, создаваемое за счет выделения энергии в ходе реакций термоядерного синтеза, уже не может поддерживать стабильное состояние звезды, и под действием собственной гравитации она стремительно коллапсирует в массивный неизлучающий объект, который мы можем наблюдать, например, в тесной двойной системе благодаря аккреционному диску, образуемому при «перетекании» на него вещества звезды-компаньона.
Сверхмассивные черные дыры образуются при слиянии менее массивных черных дыр, расположенных в центрах галактик. Этот процесс предполагает, что масса возникшего объекта будет приблизительно равна сумме масс его «предшественников». Такие объекты также могут формироваться за счет слияния массивных звезд в звездных скоплениях.
Горизонт событий лучится энергией. Благодаря квантовым эффектам на нем возникают потоки частиц, испускаемых в окружающее пространство. Это явление называется «излучением Хокинга» — в честь описавшего его британского физика-теоретика Стивена Хокинга. Несмотря на то, что материя не может вырваться за пределы горизонта событий, за счет этого излучения черная дыра, тем не менее, постепенно «испаряется». Со временем она окончательно потеряет свою массу и исчезнет.
Внутри черной дыры
Ученым неизвестно, что ждет человека, попавшего под горизонт событий.
Поглотит ли его черная дыра или разорвут приливные силы? Или он обнаружит там заднюю стенку книжного шкафа, как в американском научно-фантастическом фильме «Интерстеллар»?
Корреспондент ВВС Earth Аманда Гефтер (Amanda Gefter) в статье, которая стала самой читаемой в 2015 году, предполагает, что в тот момент, когда человек достигнет горизонта событий, реальность разделится надвое. В одной реальности его мгновенно испепелит, в другой же — он нырнет вглубь черной дыры живым и невредимым.
Дело в том, что, в соответствии с физическими принципами, никакой носитель информации (то есть любое физическое тело, включая человеческое) не может пересечь горизонт событий и обязан остаться с внешней его стороны, иначе вся содержащаяся в нем информация окажется потерянной для нашего мира. С другой стороны, законы физики также требуют, чтобы человек — или любое другое тело — пролетел сквозь горизонт живым и невредимым, не повстречав на своем пути никаких необычных опасных явлений. В противном случае будет нарушена Общая теория относительности.
Такое парадоксальное сочетание ученые называют термином «парадокс исчезновения информации в черной дыре». Американский физик Леонард Зюскинд (Leonard Susskind) понял, что никакого парадокса на самом деле нет — просто два состояния человека объясняются с точки зрения ощущений того, кто попал в черную дыру, и того, кто наблюдает за процессом. Эти два человека никогда больше не встретятся и не смогут сравнить свои наблюдения. Таким образом, физические законы не нарушаются.
Бесконечно искривленное время и пространство
По мере продвижения вглубь черной дыры пространство-время продолжает искривляться и в ее центре становится бесконечно искривленным. Эта точка известна как гравитационная сингулярность. Строго говоря, сами понятия «пространство» и «время» в ней перестают иметь какое-либо значение, а все известные нам законы физики, для описания которых необходимы эти два понятия, больше не действуют.
Сверхмассивная черная дыра из фильма «Интерстеллар»Кип Торн (Kip Thorne), научный консультант известной кинокартины Кристофера Нолана и автор книги «Интерстеллар.
Наука за кадром», сравнивает искривление пространства с муравьем на батуте. Представьте себе муравья (человек), живущего на детском батуте (Вселенная), в середине которого лежит очень тяжелый камень. Так же, как прогибается поверхность батута под весом этого камня, искривляется и пространство нашей Вселенной в окрестностях массивного объекта. Искривляется и время, взаимосвязь которого с пространством описывают формулы Теории относительности.
Не такая уж и черная
Согласно теории Стивена Хокинга, черные дыры не являются полностью «черными» — фактически они испускают частицы. На самом деле у черной дыры нет никакого цвета: это условное выражение лишь подразумевает, что все падающее в нее не выходит обратно. Мы можем наблюдать ее только в том случае, когда вокруг нее имеется какая-то светящаяся материя (газ или соседняя звезда, вещество которой «перетягивает» сверхмассивный объект). Благодаря гравитационным волнам мы можем «увидеть» две сливающихся черных дыры.
Историческое изображение «тени» черной дыры в галактике M87.
Источник: EHT CollaborationПервый снимок черной дыры, который удалось получить в ходе проекта Event Horizon Telescope, стал результатом нескольких лет обработки данных, собранных радиотелескопами по всей планете. Цвета на изображении — условные, поскольку съемка велась в радиодиапазоне, недоступном человеческому глазу.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
Что такое черная дыра?
Серия объяснений
Узнайте больше о прорывах, впервые реализованных в Чикагском университете
К Луиза Лернер
Примечание редактора. Это часть серии под названием «Начался завтрашний день», в которой рассказывается об истории прорывов в Университете Чикаго.
Узнайте больше здесь.
Черные дыры — это области в космосе, где огромное количество массы упаковано в крошечный объем. Это создает настолько сильное гравитационное притяжение, что даже свет не может ускользнуть. Они создаются при коллапсе гигантских звезд и, возможно, другими способами, которые до сих пор неизвестны.
Черные дыры восхищают как публику, так и ученых — они раздвигают границы нашего понимания материи, пространства и времени.
Ученые из Чикагского университета и всего мира сделали много открытий о нашей Вселенной с помощью черных дыр, но мы еще многого не знаем об этих необычных космических явлениях.
Перейти к разделу:
- Что такое черная дыра?
- Как выглядят черные дыры?
- Что внутри черной дыры?
- Как образуются черные дыры?
- Что такое сверхмассивная черная дыра?
- Чем питаются черные дыры?
- Как были открыты черные дыры?
- Что черные дыры говорят нам о Вселенной?
- Как была сделана первая фотография черной дыры?
- Чего ученые до сих пор не знают о черных дырах?
- Бонусные вопросы
Когда вы берете шар для боулинга, он тяжелый, потому что материя плотно упакована. Если бы вы помещали все больше и больше массы в одно и то же крошечное пространство, в конечном итоге это создало бы настолько сильную гравитацию, что она оказывала бы значительное притяжение на проходящие лучи света.
Черные дыры образуются, когда массивные звезды коллапсируют в конце своей жизни (и, возможно, при других обстоятельствах, о которых мы пока не знаем). Один из первых шагов к открытию черных дыр был сделан профессором Чикагского университета и Нобелевский лауреат Субрахманьян Чандрасекар, когда понял, что массивным звездам придется коллапсировать после того, как у них закончится топливо для термоядерных реакций, благодаря которым они остаются горячими и яркими.
Вселенная полна черных дыр. За последнее десятилетие ученые обнаружили сигналы их столкновений и сделали снимки света от газа, вращающегося вокруг них, — и это помогло нам многое узнать о Вселенной. Например, черные дыры помогли нам проверить общую теорию относительности Эйнштейна, которая описывает, как масса, пространство и время связаны друг с другом.
И на более личном уровне сверхмассивная черная дыра в центре нашей собственной галактики Млечный Путь, возможно, сыграла роль в том, как появилась Земля!
Как выглядят черные дыры?Сами по себе черные дыры невидимы — они практически не излучают света, поэтому их нельзя увидеть напрямую. Но мы все равно разработали несколько способов их найти.
Ища вещество, которое падает внутрь. Если вещество падает в черную дыру, оно движется с такой высокой скоростью, что нагревается и очень ярко светится, и мы
Видя, как их гравитация притягивает другие вещи.
Мы можем найти черные дыры, наблюдая за движением видимых объектов вокруг них. Например, гравитация черной дыры настолько сильна, что ближайшие звезды будут вращаться вокруг них, поэтому мы можем искать звезды, ведущие себя странно вокруг участка «пустого» пространства. Исходя из этого, мы можем точно рассчитать, насколько тяжелой должна быть эта черная дыра. Именно так лауреат Нобелевской премии Андреа Гез и ее команда обнаружили сверхмассивную черную дыру в центре нашей галактики.
Путем обнаружения гравитационной ряби, когда они сталкиваются. Мы также можем обнаруживать черные дыры, обнаруживая рябь в пространстве-времени, возникающую, когда две из них сталкиваются друг с другом. По этому сигналу мы можем сказать, насколько массивны были черные дыры, как далеко они находились и с какой скоростью двигались, когда столкнулись.
Что внутри черной дыры?Короткий ответ: никто не знает!
«В некотором смысле это один из самых глубоких вопросов в физике», — сказал профессор Чикагского университета Дэниел Хольц.
«В физике не так много случаев, когда мы просто не можем предсказать, что произойдет, но это один из них».
Черные дыры состоят из двух частей. Существует горизонт событий , который вы можете представить себе как поверхность, хотя это просто точка, где гравитация становится слишком сильной, чтобы что-либо могло ускользнуть. И затем, в центре, это сингулярность . Это слово мы используем для описания точки, которая бесконечно мала и бесконечно плотна.
Благодаря законам общей теории относительности мы хорошо понимаем, как выглядит горизонт событий. Но по мере приближения к самой сингулярности мы теряем способность даже предсказывать, как она выглядит.
«Очень близко к сингулярности можно ожидать, что квантовые эффекты станут важными. Однако у нас пока нет квантовой теории гравитации (или, по крайней мере, теории, способной достоверно делать такие предсказания), поэтому мы просто не знаем правильного описания сингулярности или даже того, является ли она действительно сингулярностью.
», — сказал профессор Чикагского университета Роберт Уолд.
Ученые считают, что черные дыры в конечном итоге взорвутся, но для этого потребуется во много-много раз больше времени, чем нынешний возраст Вселенной. Как это будет выглядеть, когда это произойдет? Это еще одна большая загадка.
«Может быть, там остался маленький самородок, содержащий всю информацию, упавшую в черную дыру, может быть, там есть портал в новую вселенную, может быть, информация просто исчезла навсегда; мы просто не знаем, — сказал Хольц.
(Если все это неудовлетворительно, знайте, что ученые тоже не спят по ночам.)
Как образуются черные дыры?Ученые знают об одном способе образования черных дыр, но могут быть и другие.
Один из способов создать черную дыру — это коллапс массивной звезды в конце ее жизни. Профессор Субрахманьян Чандрасекар был первым, кто подсчитал, что когда массивная звезда сжигает все свое топливо, она коллапсирует. Сначала эта идея была высмеяна, но другие ученые подсчитали, что звезда будет вечно продолжать падать внутрь к своему центру, создавая тем самым то, что мы назвали черной дырой.
Черные дыры со временем могут стать более массивными, поскольку они «съедают» газ, звезды, планеты и даже другие черные дыры!
Существует еще один тип черных дыр, называемый сверхмассивной черной дырой. Они слишком массивны, чтобы образоваться в результате коллапса одной звезды; до сих пор остается загадкой, как они формируются. Черные дыры могут поедать другие черные дыры, поэтому вполне возможно, что сверхмассивные состоят из множества слившихся вместе маленьких черных дыр. «Или, возможно, эти большие черные дыры были особенно голодны и съели так много всего, что их окружало, что выросли до огромных размеров», — сказал профессор Хольц. Но мы можем видеть, как эти сверхмассивные черные дыры сформировались во Вселенной очень рано — может быть, слишком рано, чтобы они были созданы звездами, ставшими достаточно старыми, чтобы коллапсировать, — так что, возможно, есть какой-то другой способ создать черную дыру, о котором мы не знаем. еще.
Что такое сверхмассивная черная дыра? Существует два вида черных дыр: черные дыры размером со звезду и сверхмассивные черные дыры.
Сверхмассивные черные дыры названы так потому, что их масса в миллионы или миллиарды раз превышает массу нашего Солнца.
Насколько мы можем судить, почти в каждой галактике во Вселенной есть одна из этих сверхмассивных черных дыр, сидящая прямо в ее центре, как семя. И они коррелированы: большая галактика имеет большую черную дыру, а меньшая галактика имеет меньшую черную дыру. Все это заставляет ученых думать, что эти сверхмассивные черные дыры как-то связаны с формированием галактик. Но эта взаимосвязь до сих пор остается загадкой, как и то, как образовались сверхмассивные черные дыры.
Наша «соседская» сверхмассивная черная дыра, расположенная в центре нашей собственной галактики Млечный Путь, называется Стрелец А* (произносится как А-звезда). Его диаметр составляет около 15 миллионов миль, а его масса эквивалентна 4 миллионам солнц. Не волнуйся; это слишком далеко, чтобы представлять какую-либо опасность для Земли.
Чем питаются черные дыры? Вопреки тому, что вы, возможно, видели в фильмах, черные дыры на самом деле не «всасывают» предметы.
Например, на самом деле есть звезды, вращающиеся вокруг сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики, и они будут продолжать вращаться, не падая. в, если что-то еще беспокоит их. Объект действительно должен упасть прямо в жерло черной дыры, чтобы его съели. (И рот, который мы называем 9горизонт событий 0013 черной дыры крошечный; если бы вся Земля разрушилась и образовала черную дыру, ее устье было бы меньше дюйма в поперечнике!)
Но движения звезд и галактик иногда означают, что что-то падает в пасть черной дыры. Стрелец A*, черная дыра в центре нашей галактики, питается в основном межзвездным газом и пылью, дрейфующими вокруг. В телескопы мы видели другие черные дыры, пожирающие звезды и даже газ из соседних галактик.
Черные дыры могут быть «грязными едоками». Когда объекты разрываются на части, часть газа и материи может отбрасываться с высокой скоростью. Иногда он настолько мощный, что образует струи и ветры, летящие наружу почти со скоростью света, и это может повлиять на галактику, в которой он находится.
Эти джеты могут разнести близлежащие звезды и планеты; или они могут обеспечить именно то количество текучести, которое создаст идеальные условия для создания новых звезд в течение миллионов лет.
Первое подозрение о черных дырах появилось, когда 19-летний астрофизик Субрахманьян Чандрасекар размышлял над последствиями нескольких недавних открытий, включая специальную теорию относительности Эйнштейна.
Он подсчитал, что все звезды, масса которых превышает массу нашего Солнца более чем в 1,4 раза, в конечном итоге исчерпают запас топлива и разрушатся.
Ученые в то время были потрясены и настроены скептически. Самый известный астрофизик того времени, Артур Эддингтон, публично раскритиковал эту идею на собрании, сказав: «Я думаю, что должен существовать закон природы, чтобы предотвратить такое абсурдное поведение звезды!»
Тем не менее, ущерб был нанесен.
«После того, как астрофизическое сообщество принялось за расчет, выполненный 19-летним студентом, уплывающим в аспирантуру, небеса уже никогда больше нельзя было рассматривать как идеальное и безмятежное царство», — писал позже физик Фриман Дайсон.
Вскоре ученые выяснили, что другие законы, включая общую теорию относительности Эйнштейна, требуют существования черных дыр.
Идея получила все большее признание. Во второй половине 20-го века выдающиеся ученые-теоретики, включая Стивена Хокинга в Кембридже, Джона Уилера и Джейкоба Бекенштейна в Принстоне, Чандрасекара и Роберта Уолда в Чикагском университете и многих других, исследовали детали математики и физики, лежащие в основе черные дыры.
Тем временем начали накапливаться данные телескопов о том, что во Вселенной есть черные дыры.
В 1960-х годах были обнаружены квазары — далекие объекты, испускающие такое сильное излучение, что не было никакого объяснения, кроме как гигантскими черными дырами, пережевывающими и выплевывающими материю.
На протяжении 1990-х годов ученые, включая Андреа Гез и Райнхарда Гензеля, точно отслеживали движение звезд вокруг центра нашей галактики, доказывая, что они вращаются вокруг чего-то невидимого, но настолько массивного, что это должна быть черная дыра. (За эту работу они получат Нобелевскую премию в 2020 году.)
Затем, в 2015 году, два специальных детектора, известных как Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO), уловили рябь от пары столкнувшихся черных дыр. (Это также получило Нобелевскую премию в 2018 году). С тех пор они обнаружили около 100 таких столкновений.
В 2019 году Телескоп Горизонта Событий, совокупность телескопов по всему миру, работающих согласованно, смог сделать снимок газа, вращающегося вокруг гигантской черной дыры в другой галактике. Вслед за этим в 2022 году они сделали снимок нашей «собственной» черной дыры — той, что находится в центре Млечного Пути. Мы постоянно делаем новые открытия!
Что черные дыры говорят нам о Вселенной? Черные дыры — это своего рода игровая площадка для физиков.
«Они буквально сделаны из пространства и времени», — сказал профессор Хольц. Поскольку они настолько экстремальны, они являются идеальным местом для проверки пределов правил вселенной.
Наблюдение за ними и размышления об их свойствах привели к огромному пониманию природы Вселенной. Например, обнаружение их столкновений позволило нам проверить теории Эйнштейна о том, как связаны масса, пространство и время (а также множество других теорий о Вселенной). Черные дыры, кажется, также играют роль в формировании галактик; вполне вероятно, что наша сверхмассивная черная дыра как-то связана с тем, как мы оказались здесь сегодня.
Некоторые другие вещи, которые мы можем узнать о Вселенной, включают:
Понимание экстремальной физики и того, как растут звезды и планеты . Некоторые сверхмассивные черные дыры чрезвычайно активны, они поглощают звезды среди вращающихся магнитных полей и выбрасывают струи перегретого газа и материала; эти системы известны как квазары.
Наблюдение за этим процессом может рассказать нам о физике этих экстремальных условий. Он также может рассказать нам об условиях, при которых звезды, планеты и галактики рождаются, растут и умирают.
Понимание того, как быстро расширяется Вселенная и, следовательно, как она развивалась. По мере того, как мы получаем все больше и больше данных о столкновении пар черных дыр, Хольц и другие разработали методы, позволяющие использовать их для расчета скорости расширения Вселенной. Это число, называемое постоянной Хаббла, является ключом к пониманию прошлого, настоящего и будущего поведения Вселенной, а также природы темной материи и темной энергии.
Согласование наших основных теорий Вселенной. Один из самых фундаментальных вопросов современной физики заключается в том, как согласовать квантовую механику, закон для самых маленьких частиц во Вселенной, с общей теорией относительности, которая является законом для самых больших вещей во Вселенной.
Эти два набора законов не совсем совпадают. Но черные дыры — идеальное место для изучения связей между ними.
Например, Стивен Хокинг предположил, что законы квантовой механики предполагают, что черные дыры имеют очень маленькую температуру, что удивило ученых, поскольку это подразумевает, что некоторое излучение равно покидает черную дыру. Это имеет всевозможные последствия для нашего понимания физики. (Один из таких выводов: со временем черные дыры должны терять массу все быстрее и быстрее, пока не взорвутся. Однако на это уйдут триллионы и триллионы лет, так что никого из нас не будет рядом, когда это произойдет.)
Как был сделан первый снимок черной дыры? В 2019 году люди во всем мире были взволнованы, увидев первое в истории изображение черной дыры, а затем, в 2022 году, изображение нашей «личной» сверхмассивной черной дыры в Млечном Пути. Яркое кольцо вокруг каждой из них создано очень горячим материалом, который вращается вокруг черной дыры.
Это было первое прямое изображение черной дыры, когда-либо сделанное — все остальные изображения, которые вы видели, являются симуляциями или художественными иллюстрациями.
Эти черные дыры находятся так далеко, что ни один обычный телескоп не сможет их увидеть. Вам понадобится телескоп размером с Землю, но ученые выяснили, что вместо этого они могут собрать воедино изображения, сделанные одновременно с телескопов, расположенных по всей Земле. (Одним из них был Телескоп Южного полюса, которым руководила команда, возглавляемая Чикагским университетом, который обеспечил вид со дна Земли.)
Все вместе эта сеть объединенных телескопов называется Телескоп Горизонта Событий. Затем они надеются создать «кино» светящегося газа, движущегося вокруг черной дыры по мере ее втягивания. Узнайте больше о квесте по получению изображений здесь.
Чего еще не знают ученые о черных дырах? Несмотря на то, что в последние десятилетия новые детекторы и телескопы сообщают нам все больше и больше о черных дырах, у ученых по-прежнему остаются сотни вопросов о черных дырах.
Что они едят и как часто? Что происходит, когда вещи падают? Когда он падает, сколько возвращается обратно? Это вещество в конечном итоге заставляет черную дыру вращаться? Как вообще создаются эти черные дыры?
Есть и более фундаментальные вопросы: от «Что находится внутри черной дыры?» до «Как сверхмассивные черные дыры связаны со своими галактиками?»
«В черных дырах все абсурдно. Очень привлекательно сказать, что они не могут существовать, за исключением того, что и наши теории, и наши наблюдения показывают, что они должны существовать и действительно существуют», — сказал профессор Хольц.
Одна вещь, которая не дает спать ученым по ночам, заключается в том, действительно ли информация, попадающая в черную дыру, исчезает навсегда. Есть и другие законы физики, гласящие, что вся информация во Вселенной сохраняется; даже если вы сожжете блокнот, его информацию теоретически можно восстановить по оставленным следам и газам, а также излучаемому свету. Но, насколько мы можем судить, вполне возможно, что информация из записной книжки, упавшей в черную дыру, действительно может быть стерта из Вселенной.
На самом деле мы не знаем! Маленькие черные дыры, масса нашего Солнца и всего несколько миль в диаметре, трудно обнаружить, поэтому некоторые из них могут спокойно жить в галактическом районе без нашего ведома. Ближайшая сверхмассивная черная дыра находится в центре нашей галактики и называется Стрелец А*. Тем не менее, не волнуйтесь: Земле не грозит падение в черную дыру.
Нет! Даже если бы само Солнце превратилось в черную дыру, оно было бы слишком далеко от нас, чтобы засосать нас. Помните, что для того, чтобы быть съеденным, вам нужно войти в пасть черной дыры.
Вместо этого Земля, вероятно, испарится вместе с другими близлежащими планетами после того, как Солнце начнет выгорать еще через миллиард лет или около того.
Нет, наше солнце слишком маленькое, чтобы стать черной дырой.
Согласно расчетам, впервые сделанным профессором Субрахманьяном Чандрасекхаром из Чикагского университета, черными дырами становятся только звезды, которые по крайней мере в 1,4 раза больше нашего Солнца. Вместо этого наше солнце сначала расширится, а затем сожмется в остывающий объект, называемый белым карликом. Но ничего из этого не начнется в течение следующего миллиарда лет или около того, когда у Солнца закончится топливо.
Верхнее изображение: представление художника о сверхмассивной черной дыре в центре Млечного Пути, сделанное ESO/M. Корнмессер.
черных дыр
Почти в каждой галактике есть один
Что такое черные дыры?
Черная дыра — это область пространства, заполненная таким количеством материи, что ее собственная гравитация не позволяет чему-либо вырваться — даже лучу света.
Хотя мы не можем видеть черную дыру, материал вокруг нее виден. Материал, падающий в черную дыру, образует диск, похожий на водоворот в сливе ванны. Вещество, вращающееся вокруг черной дыры, нагревается и испускает излучение, которое можно обнаружить. Вокруг звездной черной дыры эта материя состоит из газа. Вокруг сверхмассивной черной дыры в центре галактики вращающийся диск состоит не только из газа, но и из звезд.
Звездные черные дыры
Звездные черные дыры образуются, когда центр очень массивной умирающей звезды коллапсирует сам на себя. Этот коллапс может также вызвать сверхновую или взорвавшуюся звезду, которая выбросит внешние части звезды в космос. Если ядро, оставшееся после сверхновой, очень массивное, гравитация полностью схлопывает ядро в черную дыру с бесконечной плотностью. Черные дыры, созданные сверхновыми, могут иметь массу от пяти до пятидесяти масс Солнца.
Только звезды с очень большими массами могут стать черными дырами.
Наше Солнце, например, недостаточно массивно, чтобы стать черной дырой. Через пять миллиардов лет, когда у Солнца закончится доступное ядерное топливо в его ядре, оно закончит свою жизнь как белый карлик.
Ультрафиолетовые приборы Хаббла обнаруживают ветры частиц, исходящие от аккреционных дисков черных дыр звездной массы. Когда свет от диска проходит через ветер, часть его поглощается ветром. Дисковые ветры включаются, когда черная дыра поглощает материал почти так быстро, как только может. Эти переедания обычно происходят в течение нескольких месяцев, в отличие от сверхмассивных черных дыр, у которых прием пищи занимает гораздо больше времени, чем человеческая жизнь. Уникальные ультрафиолетовые возможности Хаббла делают его идеальным инструментом для понимания того, как материя падает в черную дыру.
Сверхмассивные черные дыры
На этом рисунке показана IGR J17091-3624, двойная система, которая, вероятно, содержит черную дыру звездной массы.
Сильная гравитация черной дыры (слева) оттягивает газ от звезды-компаньона (справа). Это формирует диск горячего газа вокруг черной дыры; частица ветра отгоняется от этого диска. Фото: NASA/CXC/M.WeissЗвездные черные дыры ничтожны по сравнению с чудовищами, которые, по мнению астрономов, обитают в центрах большинства галактик. Эти черные дыры сверхмассивны — в миллионы или миллиарды раз больше массы нашего Солнца.
До появления Хаббла у астрономов не было убедительных доказательств существования во Вселенной сверхмассивных черных дыр. Благодаря Хабблу и другим обсерваториям мы теперь знаем, что сверхмассивные черные дыры неразрывно связаны с эволюцией галактик, в которых они находятся. Эти черные дыры образовались в то же время, что и их родительские галактики. Считается, что они выросли из семян самых ранних массивных звезд.
Впечатляющие джеты питаются от гравитационной энергии сверхмассивной черной дыры в ядре эллиптической галактики Геркулес А. Джеты проносятся сквозь космос на миллионы триллионов миль.
Авторы и права: НАСА, ЕКА, С. Баум и К. О’Ди (RIT), Р. Перли и В. Коттон (NRAO/AUI/NSF) и группа «Наследие Хаббла» (STScI/AURA). ВЫПУСК НОВОСТЕЙ: 2012–47. >Когда астрономы впервые направили радиотелескопы на небо, они отследили источники радиоволн до некоторых типичных космических объектов, включая остатки сверхновых, далекие галактики и мощные области рождения звезд. Один конкретный тип объекта выглядел как не более чем точка света, возможно, звезда. Дальнейшие наблюдения показали, что эти объекты находились очень далеко, то есть могли находиться только в очень далеких галактиках. Объекты, называемые квазарами, считались невероятно яркими центрами этих далеких галактик.
Теперь мы знаем, что квазары — это маленькие, но ярко светящиеся двунаправленные лучи света, создаваемые и питаемые сверхмассивными черными дырами в центрах галактик. Галактический материал, такой как газ, пыль и даже звезды, если он находится слишком близко к черной дыре, поддастся ее безжалостному притяжению и будет втянут внутрь.
Когда это происходит, падающий материал растягивается, нагревается и ускоряется, создавая огромные силы вблизи горизонта событий, точки невозврата от притяжения черной дыры. Эти силы создают мощные закрученные магнитные поля, которые выбрасывают струи материала со скоростью, близкой к скорости света, и простираются на тысячи или даже миллионы световых лет в поперечнике. Интенсивные силы создают сильное излучение по всему спектру, от гамма-лучей до радиоволн.
Расстояние до квазаров настолько велико, а их реальный размер настолько мал — размером с нашу Солнечную систему, — что сам факт того, что мы можем видеть их в телескоп, делает квазары самыми яркими объектами, обнаруженными нами во Вселенной. На самом деле, одним из вкладов Хаббла в тайну квазара было доказательство с его высоким разрешением, что действительно была галактика, скрытая за бликом. Наблюдения Хаббла также помогли определить, что эти блестящие галактические центры питаются от сверхмассивных черных дыр.
Хаббл обнаружил квазары в центрах галактик, сталкивающихся или сталкивающихся друг с другом, а также в эллиптических галактиках, которые, как считается, образовались в результате множественных галактических слияний.
Эти взаимодействия могут помочь «накормить» сверхмассивную черную дыру и осветить квазар.
Как Хаббл находит черные дыры?
Многие из первых наблюдений Хаббла показали влияние сверхмассивных черных дыр на их непосредственное галактическое окружение. В 1990, вскоре после запуска, Хаббл сфотографировал джет длиной 30 000 световых лет, исходящий из галактики, которая, как известно, является потрясающим источником радиоизлучения. Благодаря наблюдениям Хаббла у астрономов были данные, необходимые им для определения того, что эти джеты исходят из очень маленьких областей в центрах галактик и, вероятно, питаются сверхмассивными черными дырами.
Высокое разрешение Хаббла — способность видеть мельчайшие детали — помогло еще больше продвинуть теорию о сверхмассивных черных дырах в 1994 году, когда астрономы получили спектры газа в центре эллиптической галактики M87. Спектры, или разложение света на составляющие цвета, могут дать астрономам большой объем информации о газе, в том числе о его скорости.
Астрономы заметили, что в M87 центральный газ вращался по диску с очень высокой скоростью вокруг небольшого, но массивного объекта. Единственный тип объекта, который может быть таким массивным и при этом очень маленьким по размеру, — это черная дыра. Эти наблюдения Хаббла помогли подтвердить почти два столетия теорий и догадок о существовании черных дыр.
Спектрограф изображений космического телескопа (STIS), прибор, установленный на Хаббле в феврале 1997 года, является основным «охотником за черными дырами» космического телескопа. В спектрографе используются призмы или дифракционные решетки, чтобы разделить входящий свет на радужный узор. Каждый элемент взаимодействует со светом в уникальной радужной подписи. Положение и сила этих сигнатур в спектре дает ученым ценную информацию, например, о том, как быстро движутся звезды и газ. STIS может охватывать множество мест одновременно в центре галактики. С помощью этой информации можно рассчитать центральную массу, вокруг которой вращаются звезды.
Чем быстрее движутся звезды, тем массивнее должен быть центральный объект.
Как сверхмассивная черная дыра влияет на галактику-хозяин?
Из множества данных Хаббла астрономы теперь понимают, что черные дыры могут оказывать глубокое влияние на галактику в целом. Например, струи сверхмассивных черных дыр могут выбрасывать огромное количество газа и пыли в межгалактическое пространство, тем самым избавляя галактику от столь необходимого топлива для продолжающегося звездообразования. Или в случае результата 2015 года, основанного на наблюдениях Хаббла за большими эллиптическими галактиками, джеты сверхмассивных черных дыр могут регулировать звездообразование таким образом, чтобы оно продолжалось, хотя и с меньшей скоростью.