Вселенная из черной дыры
Алексей Левин
«Популярная механика» №11, 2014
Новая модель мироздания позволяет обойтись без квантовой сингулярности и космологической инфляции.
Основной вопрос космологии можно сформулировать буквально в трех словах: откуда возникла Вселенная? Для стандартного ответа хватит и двух: из квантовой сингулярности. Так называют особое состояние материи, где нет ни пространства, ни времени и не действуют известные физические законы. Принято считать, что оно оказалось неустойчивым и дало начало трехмерному пространству, наполненному квантовыми полями и рожденными ими частицами. Этот выход из сингулярности называют Большим взрывом и берут за начало отсчета возраста Вселенной.
Что такое эта сингулярность, никто толком не знает. Если «проиграть» космологические уравнения назад во времени к нулевой точке, плотность энергии и температура обратятся в бесконечность и потеряют физический смысл. Обычно сингулярность описывают как хаотическую квантовую флуктуацию вакуума, которая сделала возможным появление гравитации и других физических полей.
Теоретики приложили немало усилий, пытаясь понять, как именно это могло произойти, но пока без особых успехов.
Не взрыв, а коллапс
Некоторые космологические модели вообще обходятся без сингулярности, но они в меньшинстве. А вот недавно трое канадских ученых выступили с весьма любопытной моделью Большого взрыва, не требующей гипотезы квантового хаоса. Профессор физики и астрономии Университета Ватерлоо Роберт Манн и его коллеги допускают, что наша Вселенная могла появиться как побочный продукт гравитационного стягивания космической материи, которое закончилось рождением черной дыры. Их ключевая идея состоит в том, что эта материя существовала в пространстве не с тремя, а с четырьмя измерениями. Новорожденная дыра, опять-таки четырехмерная, окружила себя трехмерной оболочкой, которая и стала зародышем Вселенной. Она позаимствовала от материнского четырехмерия не только тяготение, но и прочие поля и частицы, которые зажили самостоятельной трехмерной жизнью. Так что наш мир возник не из Большого взрыва, а из его противоположности, Большого коллапса!
Откуда взялась эта оболочка? «Обычная» черная дыра окружена замкнутой двумерной поверхностью, горизонтом событий.
Для материи четырехмерного пространства, запертой внутри горизонта черной дыры, эта трехмерная область будет единственным миром, полностью отсеченным от четырехмерного окружения. Можно допустить, что втянутая внутрь горизонта материя будет вести себя по всем законам трехмерия. Новая модель позволяет обойтись без распространенной гипотезы космологической инфляции, предложенной в начале 1980-х, которая все еще сталкивается с серьезными нерешенными проблемами.
В частности, непонятна природа физического поля, которое, как предполагается, запустило ускоряющееся расширение новорожденной Вселенной.
Отскок мира
Но если не принимать в расчет квантовые эффекты, горизонт трехмерной дыры стабилен, тогда как наша Вселенная расширяется. Модель Манна объясняет и это: «Гравитационный коллапс в четырехмерном пространстве не только породит черную дыру, но и вызовет «отскок» не провалившейся в нее материи и ее разлет по всем направлениям. Нечто подобное происходит при взрывах сверхновых, которые разбрасывают свои оболочки по окружающему пространству. Как показывают вычисления, эта материя может создать трехмерный слой вокруг горизонта, который будет расширяться и тянуть за собой сам горизонт. В результате возникнет единое расширяющееся пространство нашей Вселенной. Модель можно модифицировать таким образом, что она предскажет ускорение этого расширения, которое стандартная космология объясняет с помощью темной энергии».
Новая модель допускает опытную проверку.
Гравитационное воздействие четырехмерия на нашу Вселенную должно вызвать определенные флуктуации реликтового излучения, спектр которых можно предсказать.
Структура джетов сверхмассивной черной дыры в созвездии Девы оказалась необычно сложной – Наука
Описание
Изображение черной дыры
© Reuters/Event Horizon Telescope Collaboration via ABACAPRESS.COM
ТАСС, 16 апреля. Наблюдения за сверхмассивной черной дырой в центре галактики M87, которые провели астрономы из проекта Event Horizon Telescope, показали, что структура ее релятивистских струй оказалась неожиданно сложной. Результаты исследования опубликовал научный журнал The Astrophysical Journal Letters, кратко об этом пишет пресс-служба МФТИ.
На эту тему
Проект Event Horizon Telescope (EHT) – своеобразная виртуальная интерферометрическая обсерватория, которая объединяет мощности нескольких самых чувствительных микроволновых радиообсерваторий мира.
Его создали в 2009 году для наблюдений за двумя объектами: сверхмассивными черными дырами в центре Млечного Пути (Sgr A*) и галактики M87 в созвездии Девы (M87*).
С помощью объединенных ресурсов этих обсерваторий астрономы получили снимок так называемой “тени” черной дыры – области в ее окрестностях, в которой можно увидеть “отражение” ее горизонта событий, то есть той зоны, откуда ни свет, ни любой другой материальный объект вырваться не может.
Благодаря этому астрономы теперь могут детально изучить, какие процессы происходят внутри так называемых джетов. Так астрономы называют узкие пучки плазмы, которые исходят из черных дыр. Они движутся с околосветовыми скоростями (поэтому их называют еще и релятивистскими струями) и разогреты до очень высоких температур. Джеты вырабатывают огромное количества светового и других форм излучения. Точных механизмов их происхождения астрофизики пока не знают.
В новом исследовании участники проекта EHT попытались ответить на эти вопросы.
Для этого они обратились за помощью к коллегам, у которых есть доступ к телескопам, работающим в других частях электромагнитного спектра – “Хабблу”, Chandra, Swift и NuSTAR, а также некоторым наземным радиоволновым обсерваториям.
На эту тему
Объединив результаты их наблюдений, ученые детально изучили, как сверхмассивные черные дыры вырабатывают разные формы излучения. Этому помогло то, что интенсивность света, который излучают джеты черной дыры M87*, на момент наблюдений была самой низкой из когда-либо зафиксированных.
Благодаря этому астрономы не только решили свою главную задачу и увидели “тень” черной дыры, но и поняли, где возникает основная часть вспышек гамма и радиоизлучения, источником которых служат джеты М87*.
“Мы всегда считали, что в окрестностях горизонта событий черных дыр радиоволны и гамма-излучение вырабатываются в одних и тех же точках. Однако наблюдения показали, что это не так. Это может говорить о сложной структуре выбросов сверхмассивных черных дыр”, – рассказал один из авторов работы, астрофизик из Токийского университета Томохиса Кавасима.
Чтобы объяснить это явление, теоретикам придется создавать новые модели, которые описывают процесс формирования джетов.
Исследователи надеются, что дальнейший анализ данных, собранных в ходе первого цикла работы EHT, и перезапуск проекта в 2021 году помогут им узнать механизмы, которые отвечают за формирование вспышек обоих видов электромагнитных волн в разных частях джетов, а также локализовать источники других форм излучения.
Теги
АстрономияКосмосАстрофизикаКосмология
Структура черной дыры
Контакты StarDate | О StarDate | Друзья Макдональдса | Подпишитесь на SkyTips
Версия для печати
Главная
Хотя черные дыры бывают разной массы и размера, их структура одинакова. Вся масса черной дыры сосредоточена в почти бесконечно малой и плотной точке, называемой сингулярностью. Эта точка окружена горизонтом событий — расстоянием от сингулярности, на котором ее скорость убегания превышает скорость света.
А вращающаяся черная дыра окружена эргосферой, областью, в которой черная дыра тащит само пространство.
Сингулярность образуется, когда материя сжимается настолько сильно, что никакая другая сила природы не может ее уравновесить. В «нормальной» звезде, такой как Солнце, внутреннее притяжение гравитации уравновешивается внешним давлением ядерных реакций в ее ядре. В коллапсирующих звездах, известных как белые карлики или нейтронные звезды, другие силы предотвращают окончательный коллапс.
Однако, если в заданном объеме слишком много массы, объект достигает критической плотности, при которой ничто не может предотвратить его окончательное коллапс и образование черной дыры.
Поскольку гравитация превосходит другие силы природы, сингулярность подчиняется своим собственным причудливым законам физики. Время и пространство, какими мы их знаем, исчезают, а гравитация становится бесконечно сильной.
По мере удаления от сингулярности скорость убегания уменьшается.
Скорость убегания — это скорость, с которой объект должен двигаться, чтобы уйти. Для Земли скорость убегания составляет около семи миль (11 км) в секунду. Другими словами, космический корабль должен двигаться как минимум с такой скоростью, чтобы избежать гравитационного притяжения Земли и отправиться на другую планету.
На определенном расстоянии от сингулярности скорость убегания падает до скорости света (около 186 000 миль/300 000 км в секунду). Это расстояние известно как радиус Шварцшильда в честь Карла Шварцшильда, впервые определившего его. Этот радиус зависит от массы черной дыры. Для черной дыры такой же массивной, как Солнце, радиус составляет около двух миль (3 км). С каждой дополнительной солнечной массой радиус увеличивается на две мили.
Этот радиус окутывает сингулярность зоной черноты, другими словами, делает черную дыру черной. Это придает черной дыре видимую поверхность, известную как горизонт событий. Однако это не твердая поверхность. Это просто «точка невозврата» для всего, что приближается к черной дыре.
Как только любой объект — от звездолета до частицы света — пересекает этот горизонт, он уже не может выбраться обратно. Он заперт внутри черной дыры.
Все, что входит в черную дыру, увеличивает ее массу. И по мере увеличения массы увеличивается и размер горизонта событий. Так что, если вы кормите черную дыру, она становится толще!
Если черная дыра не вращается, то ее гравитационное влияние на окружающую среду прямолинейно. Однако если черная дыра вращается, то ее гравитационные эффекты более сложны. Он на самом деле тянет за собой ткань пространства-времени — эффект, называемый перетаскиванием кадра. Эта область известна как эргосфера. В поперечном сечении она имеет овальную форму, причем область влияния простирается дальше в космос на экваторе черной дыры, чем на ее полюсах.
Черные дыры: все, что вам нужно знать
Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.
Черные дыры — одни из самых странных и увлекательных объектов в космосе. Они чрезвычайно плотные, с таким сильным гравитационным притяжением, что даже свет не может ускользнуть от их хватки.
Первое изображение черной дыры было получено в 2019 году коллаборацией Event Horizon Telescope (EHT). Поразительное фото черной дыры в центре галактики M87 в 55 миллионах световых лет от Земли взволновало ученых всего мира.
Связанный: Белые дыры: что мы знаем о забытых близнецах черных дыр
Открытие черной дыры
Альберт Эйнштейн впервые предсказал существование черных дыр в 1916 году в своей общей теории относительности.
Термин «черная дыра» был придуман много лет спустя, в 1967 году, американским астрономом Джоном Уилером. После десятилетий черные дыры были известны только как теоретические объекты.
Первой обнаруженной черной дырой была Лебедь X-1, расположенная в Млечном Пути в созвездии Лебедя. По данным НАСА, астрономы увидели первые признаки черной дыры в 1964 году, когда зондирующая ракета обнаружила небесные источники рентгеновского излучения . В 1971 астрономы определили, что рентгеновские лучи исходят от ярко-голубой звезды, вращающейся вокруг странного темного объекта. Было высказано предположение, что обнаруженные рентгеновские лучи были результатом того, что звездный материал отрывался от яркой звезды и «поглощался» темным объектом — всепоглощающей черной дырой.
Сколько существует черных дыр?
В центре Млечного Пути находится сверхмассивная черная дыра Стрелец A* (Sgr A*). (Изображение предоставлено: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI) По данным Научного института космического телескопа (STScI), примерно одна из каждой тысячи звезд имеет достаточную массу, чтобы стать черной дырой.
Поскольку Млечный Путь содержит более 100 миллиардов характеристик, в нашей родной галактике должно быть около 100 миллионов черных дыр.
Хотя обнаружение черных дыр — сложная задача, по оценкам НАСА , в Млечном Пути может быть от 10 миллионов до миллиарда звездных черных дыр.
Ближайшая к Земле черная дыра называется “Единорог” и находится примерно в 1500 световых годах от нас. Прозвище имеет двойное значение. Мало того, что кандидат в черные дыры находится в созвездии Единорога («единорог»), его невероятно малая масса — примерно в три раза больше массы Солнца — делает его почти единственным в своем роде.
Связанный: Сколько черных дыр во Вселенной?
Изображения черной дыры
Телескоп горизонта событий, массив планетарного масштаба из восьми наземных радиотелескопов, созданный в результате международного сотрудничества, сделал это изображение сверхмассивной черной дыры в центре галактики M87 и ее тени. (Изображение предоставлено коллаборацией EHT) В 2019 году коллаборация Event Horizon Telescope (EHT) опубликовала первое в истории изображение черной дыры.
EHT увидел черную дыру в центре галактики M87, в то время как телескоп изучал горизонт событий или область, за которую ничто не может уйти от черной дыры. Изображение отображает внезапную потерю фотонов (частиц света). Это также открывает совершенно новую область исследований черных дыр, теперь, когда астрономы знают, как выглядит черная дыра.
В 2021 году астрономы показали новый вид гигантской черной дыры в центре M87, показывающий, как выглядит колоссальная структура в поляризованном свете. Поскольку поляризованные световые волны имеют другую ориентацию и яркость по сравнению с неполяризованным светом, новое изображение показывает черную дыру еще более подробно. Поляризация — это признак магнитных полей, и изображение ясно показывает, что кольцо черной дыры намагничено.
После публикации первого изображения черной дыры в 2019 году, астрономы получили новый поляризованный вид черной дыры. (Изображение предоставлено EHT Collaboration)(открывается в новой вкладке)
Как выглядят черные дыры?
Черные дыры имеют три «слоя»: внешний и внутренний горизонт событий и сингулярность.
Горизонт событий черной дыры — это граница вокруг устья черной дыры, за которую свет не может выйти. Как только частица пересекает горизонт событий, она не может покинуть его. Гравитация постоянна на горизонте событий.
Внутренняя область черной дыры, где находится масса объекта, известна как ее сингулярность, единственная точка в пространстве-времени, где сосредоточена масса черной дыры.
Ученые не могут видеть черные дыры так же, как звезды и другие объекты в космосе. Вместо этого астрономы должны полагаться на обнаружение радиации, испускаемой черными дырами, когда пыль и газ втягиваются в плотные существа. Но сверхмассивные черные дыры, лежащие в центре галактики, могут быть окутаны густым слоем пыли и газа вокруг них, что может блокировать контрольные выбросы.
Истории по теме:
Иногда, когда материя притягивается к черной дыре, она рикошетом отлетает от горизонта событий и выбрасывается наружу, а не затягивается в пасть. Создаются яркие струи вещества, движущиеся с почти релятивистскими скоростями.
Хотя черная дыра остается невидимой, эти мощные струи можно наблюдать с больших расстояний.
Изображение черной дыры в M87, сделанное EHT (опубликовано в 2019 году), потребовало двух лет исследований даже после того, как изображения были сделаны. Это потому, что сотрудничество телескопов, которое охватывает множество обсерваторий по всему миру, дает поразительное количество данных, которые слишком велики для передачи через Интернет.
Со временем исследователи рассчитывают получить изображения других черных дыр и создать хранилище данных о том, как выглядят эти объекты. Следующей целью, вероятно, будет Стрелец A*, черная дыра в центре нашей собственной галактики Млечный Путь. Стрелец А* интригует, потому что он тише, чем ожидалось, что может быть связано с магнитными полями, подавляющими его активность, сообщается в исследовании 2019 года. Другое исследование того же года показало, что Стрелец А* окружен холодным газовым ореолом, что дает беспрецедентное представление о том, как выглядит среда вокруг черной дыры.
Типы черных дыр
На данный момент астрономы определили три типа черных дыр: звездные черные дыры, сверхмассивные черные дыры и промежуточные черные дыры.
Звездные черные дыры — маленькие, но смертоносные
Когда звезда сгорает до конца своего топлива, объект может разрушиться или упасть сам на себя. Для меньших звезд (тех, которые примерно в три раза Солнца с массой ), новое ядро станет нейтронной звездой или белым карликом. Но когда более крупная звезда коллапсирует, она продолжает сжиматься и создает звездную черную дыру.
Черные дыры, образовавшиеся в результате коллапса отдельных звезд, относительно малы, но невероятно плотны. Один из этих объектов упаковывает массу, более чем в три раза превышающую массу Солнца, в диаметре города. Это приводит к безумной гравитационной силе, притягивающей объекты вокруг объекта.
Затем звездные черные дыры поглощают пыль и газ из окружающих их галактик, что заставляет их расти в размерах.
Сверхмассивные черные дыры — рождение гигантов
Маленькие черные дыры населяют Вселенную, но доминируют их родственники, сверхмассивные черные дыры. Эти огромные черные дыры в миллионы или даже миллиарды раз массивнее Солнца, но имеют примерно такой же размер в диаметре. Считается, что такие черные дыры находятся в центре почти каждой галактики, включая Млечный Путь.
Ученые не уверены, как появляются такие большие черные дыры. После того, как эти гиганты сформировались, они собирают массу из пыли и газа вокруг них, материала, которого много 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 ответственны за схлопывание и быстрое накопление массы. Третий вариант — это коллапс звездного скопления, когда группа звезд падает вместе.
В-четвертых, сверхмассивные черные дыры могут возникать из больших скоплений темной материи. Это вещество, которое мы можем наблюдать по его гравитационному воздействию на другие объекты; однако мы не знаем, из чего состоит темная материя, потому что она не излучает свет и не может наблюдаться напрямую.
Промежуточные черные дыры
Когда-то ученые думали, что черные дыры бывают только малых и больших размеров, но исследования показали возможность существования средних или промежуточных черных дыр (ЧДЧД). Такие тела могут образовываться, когда звезды в скоплении сталкиваются в результате цепной реакции. Несколько таких IMBH, сформировавшихся в одном и том же регионе, могут в конечном итоге собраться вместе в центре галактики и создать сверхмассивную черную дыру.
В 2014 году астрономы обнаружили черную дыру промежуточной массы в рукаве спиральная галактика . А в 2021 году астрономы воспользовались древним гамма-всплеском, чтобы обнаружить его.
«Астрономы очень усердно искали эти черные дыры среднего размера», — говорится в заявлении соавтора исследования Тима Робертса из Университета Дарема в Соединенном Королевстве .
«Были намеки на то, что они существуют, но IMBH вели себя как давно потерянный родственник, который не заинтересован в том, чтобы его нашли».
Исследование, проведенное в 2018 году, показало, что эти IMBH могут существовать в центре карликовых галактик (или очень маленьких галактик). Наблюдения за 10 такими галактиками (пять из которых ранее были неизвестны науке до этого последнего обзора) выявили рентгеновскую активность, характерную для черных дыр, что свидетельствует о наличии черных дыр с массой от 36 000 до 316 000 солнечных. Информация поступила из Слоановского цифрового обзора неба, который исследует около 1 миллиона галактик и может обнаруживать вид света, который часто наблюдается от черных дыр, собирающих близлежащие обломки.
Двойные черные дыры: двойная проблема
Художественная иллюстрация сверхмассивной черной дыры с черной дырой-компаньоном, вращающейся вокруг нее. (Изображение предоставлено Caltech-IPAC) В 2015 году астрономы с помощью Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) обнаружили гравитационные волны от слияния звездных черных дыр.
«У нас есть еще одно подтверждение существования черных дыр звездной массы, которые больше 20 масс Солнца — это объекты, о существовании которых мы не знали до того, как их обнаружил LIGO», — Дэвид Шумейкер, представитель научного сотрудничества LIGO ( LSC), говорится в заявлении (откроется в новой вкладке). Наблюдения LIGO также дают представление о направлении вращения черной дыры. Когда две черные дыры вращаются вокруг друг друга, они могут вращаться в одном и том же направлении или в противоположном направлении.
Существует две теории образования бинарных черных дыр. Первая предполагает, что две черные дыры в бинарной системе сформировались примерно в одно и то же время из двух звезд, которые родились вместе и умерли взрывом примерно в одно и то же время. Звезды-компаньоны имели бы такую же ориентацию вращения, как и две оставшиеся черные дыры.
Согласно второй модели, черные дыры в звездном скоплении опускаются к центру скопления и образуют пары. По данным LIGO Scientific Collaboration, эти компаньоны будут иметь случайную ориентацию вращения по сравнению друг с другом.
Наблюдения LIGO за черными дырами-компаньонами с различной ориентацией спина дают более убедительные доказательства этой теории формирования.
«Мы начинаем собирать реальную статистику о двойных системах черных дыр», — сказал ученый LIGO Кейта Кавабе из Калифорнийского технологического института, работающий в Хэнфордской обсерватории LIGO. «Это интересно, потому что некоторые модели формирования двойных черных дыр даже сейчас несколько предпочтительнее других, и в будущем мы можем еще больше сузить круг».
Факты о черных дырах
- Теория уже давно предполагает, что если вы упадете в черную дыру, гравитация растянет вас, как спагетти, хотя ваша смерть наступит до того, как вы достигнете сингулярности. Но исследование 2012 года, опубликованное в журнале Nature , предполагает, что квантовые эффекты заставят горизонт событий действовать подобно стене огня, которая мгновенно сожжет вас до смерти.
- Черные дыры не отстой. Всасывание вызвано втягиванием чего-то в вакуум, чем массивная черная дыра определенно не является.
Вместо этого объекты падают в них точно так же, как они падают на все, что обладает гравитацией, например на Землю. - Первым объектом, считающимся черной дырой, является Лебедь X-1. Лебедь X-1 был предметом дружеского пари 1974 года между Стивеном Хокингом и коллегой-физиком Кипом Торном, причем Хокинг сделал ставку на то, что источником не была черная дыра. В 1990 году Хокинг признал поражение.
- Миниатюрные черные дыры могли образоваться сразу после Большого взрыва. Быстро расширяющееся пространство могло сжать некоторые регионы в крошечные плотные черные дыры, менее массивные, чем Солнце.
- Если звезда проходит слишком близко к черной дыре, звезда может быть разорвана на части (откроется в новой вкладке).
- По оценкам астрономов, в Млечном Пути насчитывается от 10 миллионов до 1 миллиарда звездных черных дыр с массой примерно в три раза больше солнечной.
- Черные дыры остаются потрясающим материалом для научно-фантастических книг и фильмов. Посмотрите фильм «Интерстеллар», в котором Торн в значительной степени полагался на науку. Работа Торна с командой спецэффектов фильма привела к лучшему пониманию учеными того, как могут выглядеть далекие звезды, если их увидеть вблизи быстро вращающейся черной дыры.
Вместо этого объекты падают в них точно так же, как они падают на все, что обладает гравитацией, например на Землю.
Посмотрите фильм «Интерстеллар», в котором Торн в значительной степени полагался на науку. Работа Торна с командой спецэффектов фильма привела к лучшему пониманию учеными того, как могут выглядеть далекие звезды, если их увидеть вблизи быстро вращающейся черной дыры.Дополнительные ресурсы
Погрузитесь глубже в тайну черных дыр (открывается в новой вкладке) вместе с NASA Science. Посмотрите видео и узнайте больше о черных дырах (откроется в новой вкладке) на сайте NASA Hubble. Узнайте больше о черных дырах (откроется в новой вкладке) вместе с Национальным научным фондом.
Библиография
Сайт Хаббла: Черные дыры: Беспощадное притяжение гравитации, интерактивный (открывается в новой вкладке): Энциклопедия. ГНИЦ Главная. Проверено 6 мая 2022 г.
НАСА. Представь вселенную! (откроется в новой вкладке) НАСА. Проверено 6 мая 2022 г.
Боэн, Б. ( 2013 г., 29 августа (открывается в новой вкладке)). Сверхмассивная черная дыра Стрелец A*.