ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ ВСЕЛЕННОЙ | Наука и жизнь
В этом явлении, казалось, содержится столько необъяснимого, почти мистического, что даже Альберт Эйнштейн, чьи теории, по сути дела, породили представление о черных дырах, сам просто не верил в их существование. Сегодня астрофизики все больше убеждаются, что черные дыры – это реальность.
Лучи света в окрестностях черной дыры.
Звезды и облака газа в туманности Андромеды.
Результат компьютерного моделирования полей тяготения. Так все это могло бы выглядеть в том случае, если вращающаяся черная дыра находится где-то между Землей и галактикой Андромеды.
Если какой-то фантастический космонавт попадет в черную дыру, силы притяжения будут вытягивать его все больше и больше, пока не разорвут на молекулы, затем на атомы, а потом на элементарные частицы.
Галактика М84 удалена от Земли на 50 миллионов световых лет.
Чтобы отыскать черную дыру, надо исследовать движение вращающихся масс.
На фото: квазары, излучающие чудовищно огромные количества энергии (1).
На рисунках: черная дыра засасывает газ и пыль (1).
Теория относительности Эйнштейна говорит, что вращающаяся масса увлекает за собой пространство. Недавно этот эффект был обнаружен астрономами.
‹
›
Открыть в полном размере
Математические расчеты показывают – невидимые гиганты есть
Четыре
года назад группа американских и
японских астрономов направила свой
телескоп на созвездие Гончих Псов,
на находящуюся там спиральную
туманность М106. Эта галактика
удалена от нас на 20 миллионов
световых лет, но ее можно увидеть
даже с помощью любительского
телескопа. Многие считали, что она
такая же, как и тысячи других
галактик. При внимательном
изучении оказалось, что у
туманности М106 есть одна редкая
особенность – в ее центральной
части существует природный
квантовый генератор – мазер.
Японский астроном Макото Мионис и его коллеги во время наблюдений туманности М106 обнаружили странное поведение ее космического мазера. Оказалось, что облака вращаются вокруг какого-то центра, удаленного от них на 0,5 светового года. Особенно заинтриговала астрономов скорость этого вращения: периферийные слои облаков перемещались на четыре миллиона километров в час! Это говорит о том, что в центре сосредоточена гигантская масса. По расчетам она равна 36 миллионам солнечных масс.
Астрономы
отбросили предположение о том, что
такое количество материи может
быть очень плотным скоплением
звезд, которое мы не видим из-за
космической пыли.
М106 – не единственная галактика, где подозревается черная дыра. В Туманности Андромеды, скорее всего, тоже есть и примерно такая же по массе – 37 миллионов Солнц. Предполагается, что и в галактике М87 – чрезвычайно интенсивном источнике радиоизлучения - обнаружена черная дыра, в которой сосредоточено 2 миллиарда масс Солнца!
Еще 200
лет назад вопросом о влиянии
гравитации на распространение
света звезд задался ныне мало кому
известный английский
естествоиспытатель Джон Мишелл.
Большинство ученых в те времена
считали, что свет состоит из частиц.
И Мишелл исходил из того, что
частицы света в своем движении
будут замедляться тяготением
звезды или планеты, от которой они
удаляются. Он сделал расчет: какой
должна быть наименьшая сила
притяжения, чтобы частицы света не
могли покинуть их источник. Его
вычисления говорили, что небесное
тело, весящее в 500 раз больше нашего
Солнца, вообще не позволит частицам
света покинуть его.
“Если такие тела в природе действительно существуют, – заключал свою работу Мишелл, – их свет нас никогда не достигнет”. Идеи ученого на какое-то время привлекли внимание научных кругов, но последователей он не обрел.
Прошло
13 лет, и французский философ Пьер
Симон Лаплас, по всей видимости
незнакомый с работами Мишелла,
пришел к аналогичному выводу. Но
тут вскоре было доказано, что свет -
волновое явление.
Жизнеописание звезды
Более 100 лет проблема взаимодействия света и гравитации была в забвении. Но к ней пришлось вернуться, когда в конце 1915 года Эйнштейн опубликовал Общую теорию относительности – революционное объяснение сущности тяготения.
Представьте себе
свободное от гравитации
пространство как ровную резиновую
пленку. Вместо звезды у нас будет
тяжелый бильярдный шар. Положим его
на пленку – она прогнется. Второй
шар, находящийся рядом, будет
играть роль планеты. Он скатится в
углубление, сделанное первым шаром,
и шары столкнутся. Но если мы
заставим второй шар двигаться с
определенной скоростью по
окружности вокруг первого, то
столкновения шаров не будет -
центробежная сила уравновесит их
притяжение.
Вести себя так, как шары на резиновой пленке, должна и лучистая энергия – свет. В присутствии тяготения он сохраняет свою скорость, но траектория света, попавшего в поле тяготения, искривляется под его воздействием.
Немецкий астроном Карл Шварцшильд настолько увлекся теорией гравитации Эйнштейна, что взялся исследовать, как все это отражается на жизни звезд. Полученные им формулы говорили, что на определенном расстоянии от звезды время, пространство и масса становятся взаимозависимыми: время может становиться пространством, пространство – временем. Эти парадоксы даже вообразить невозможно, но математически они отображаются четко. Согласно уравнениям Общей теории относительности, сильные поля тяготения оказывают замедляющее действие на время, искривляют пространство.
Все эти
теоретические выводы прошли потом
проверку в экспериментах
астрономов и физиков и везде
получили подтверждение: парадоксы
теории относительности выступают и
в реальных событиях нашего мира, но
ощутимыми они становятся, когда
дело касается больших масс и
скоростей.
Астрофизики поняли, что уравнения Шварцшильда годятся для звезд малых размеров. Небесное тело, имеющее массу, равную Солнцу, на последнем этапе жизни должно “съежиться”, его радиус уменьшится до трех километров – это так называемая “граница Шварцшильда”.
Продолжая изучать природу звезд, астрофизики установили, что это шары из газа, внутри которых происходит выделение энергии за счет слияния атомов водорода и образования более тяжелых атомов гелия. Возник вопрос: а что произойдет со звездой, когда ее топливо, водород, будет исчерпано?
Индийский ученый
Субрахманьян Чандрасекар в 1930 году
пришел к выводу, что звезда с
массой, не превосходящей 1,4
солнечной, в конце своей жизни
превратится в звезду иного класса -
в белого карлика, который меньше,
чем земной шар.
Материя в ней сжата
так плотно, что атомы теряют свои
электронные оболочки. Электроны
начинают жить собственной жизнью.
Их свобода противостоит силам
тяготения внутри тела звезды и тем
самым сдерживает дальнейшее
спадание вещества к ее центру.
Более тяжелые звезды должны, как
считалось в начале изучения этой
проблемы, под действием
колоссальной гравитации сжиматься
еще больше. Но никто не представлял,
до каких пределов они могут
уменьшиться.
Два года спустя
после того, как были опубликованы
работы Чандрасекара, английский
физик Джеймс Чедвик открыл нейтрон.
Это помогло узнать конечную судьбу
тяжелых звезд: огромное тяготение
“вдавливает” свободные
электроны в протоны, и возникают
электрически нейтральные частицы -
нейтроны. Рождается нейтронная
звезда, вещество которой имеет
невероятную плотность. Кусочек
такой материи размером с кубик
пиленого сахара весит один
миллиард тонн, а нейтронная
песчинка уравновесила бы мощный
электровоз.
Но это относится к
судьбе звезд, которые имеют массу
не более трех солнечных. А что
случится со звездой более тяжелой?
Ответ на вопрос нашли Роберт Оппенгеймер и его ученики в 1939 году. По их представлениям, нет такой силы, которая могла бы противостоять коллапсу (сжиманию вещества), если масса звезды более чем в три раза превосходит солнечную. В этом случае – так говорит теория – все вещество небесного тела сомкнется в одной точке. Феномен, при котором плотность материи становится бесконечно большой, математики называют сингулярностью (от латинского “сингл”, что означает “точка”). Радиус такой компактной звезды будет меньше трех метров, то есть меньше, чем было определено Шварцшильдом.
“Горизонт событий”
Когда звезда
“спадается”, то в окружающем ее
пространстве растут силы
гравитации. Значит, пространство
все сильнее и сильнее искривляется.
Звезда замыкает вокруг себя
пространство, когда ее радиус
становится меньше, чем “радиус
Шварцшильда”. Небесное тело как
бы обосабливается от всей
Вселенной: ни вещество, ни свет не
могут покинуть звезду. Она словно
помещена в какую-то капсулу. Звезда
становится невидимой – совсем так,
как еще два столетия назад
предполагал Джон Мишелл!
Наблюдатель извне никаких сигналов от звезды получить не может. Про нее можно сказать: скрылась за “горизонтом событий”. А как высоко стоит этот горизонт, определяется “радиусом Шварцшильда”.
До последнего
времени природа черных дыр
казалась совершенно непонятной,
загадочной. Даже Эйнштейн, теория
относительности которого стала
первым камнем в фундаменте
современного представления о
космосе, не верил в существование
такого фантастического явления,
как черные дыры. В одной из своих
работ, опубликованной в 1939 году, он
писал, что можно доказать: такого не
может быть.
Дальнейшее развитие
науки показало, что здесь он
ошибался, хотя был настолько уверен
в своей правоте, что до конца жизни
к этой проблеме не возвращался. Так
же и Оппенгеймер, разуверившись в
существовании черных дыр, не стал
продолжать исследования
таинственного явления.
Впрочем, ведь тогда это были чисто теоретические вопросы. Галактика М106 еще не открыла свой секрет.
Лишь в шестидесятые годы астрофизики всерьез занялись поисками экзотических объектов Вселенной. Черные дыры стали искать среди тяжелых мощных источников света. А такие во Вселенной есть. Например, есть область, которая по размерам равна примерно нашей Солнечной системе, а излучает энергии в тысячи раз больше, чем все звезды нашей Галактики – Млечного Пути.
В 1963 году
американский астроном М. Шмидт
высказал предположение, что
недавно обнаруженный точечный
источник радиоволн может быть
черной дырой, еще не полностью
закрытой “капсулой”
искривленного пространства.
Через
год советский физик академик Яков
Зельдович и его американский
коллега физик Эдвин Солпитер
сообщили о разработанной ими
модели. Модель показала: черная
дыра притягивает газ из
окружающего пространства, и
вначале он собирается в диск возле
нее. От столкновений частиц газ
разогревается, теряет энергию,
скорость и начинает по спирали
приближаться к черной дыре. Газ,
нагретый до нескольких миллионов
градусов, образует вихрь, имеющий
форму воронки. Его частицы мчатся
со скоростью 100 тысяч километров в
секунду. В конце концов вихрь газа
доходит до “горизонта событий”
и навечно исчезает в черной дыре.
Мазер в галактике
М106, о котором шла речь в самом
начале, находится в газовом диске.
Черные дыры, возникающие во
Вселенной, судя по тому, что
наблюдали американские и японские
астрономы в спиральной туманности
М106, обладают несравненно большей
массой, нежели те, о которых говорит
теория Оппенгеймера.
Он рассмотрел
случай коллапса одной звезды, масса
которой не более трех солнечных. А
как образуются такие гиганты,
которые астрономы уже наблюдают,
объяснений пока нет.
Последние компьютерные модели показали, что газовое облако, находящееся в центре нарождающейся галактики, может породить огромную черную дыру. Но возможен и другой путь развития: скопление газа вначале распадется на множество более мелких облаков, которые дадут жизнь большому числу звезд. Однако и в том, и в другом случае часть космического газа под действием собственной гравитации в конце концов закончит свою эволюцию в виде черной дыры.
По этой гипотезе черная дыра есть почти в каждой галактике, в том числе и в нашей, где-то в центре Млечного Пути.
Астрономические
наблюдения, проведенные за
последние десять лет, позволяют с
большой степенью достоверности
говорить о том, что черная дыра в
Млечном Пути действительно есть, и
в ней сосредоточено вещество,
равное трем миллионам солнечных
масс.
В работах Оппенгеймера и
Шнайдера говорилось о
теоретической возможности
существования таких гигантов.
Наблюдения так называемых систем двойных звезд, когда в телескоп видна лишь одна звезда, дают основание считать, что невидимый партнер – черная дыра. Звезды этой пары расположены так близко одна к другой, что невидимая масса “высасывает” вещество видимой звезды и поглощает его. В некоторых случаях удается определить время оборота звезды вокруг ее невидимого партнера и расстояние до невидимки, что позволяет рассчитать скрытую от наблюдения массу.
Первый кандидат
на такую модель – пара, обнаруженная
в начале семидесятых годов. Она
находится в созвездии Лебедя
(обозначена индексом Cygnus XI) и
испускает рентгеновские лучи.
Здесь вращаются горячая голубая
звезда и, по всей вероятности,
черная дыра с массой, равной 16
массам Солнца. Другая пара (V404)
имеет невидимую массу в 12
солнечных.
Еще одна подозреваемая
пара – рентгеновский источник (LMCХ3)
в девять солнечных масс находится в
Большом Магеллановом Облаке.
Все эти случаи хорошо объясняются в рассуждениях Джона Мишелла о “темных звездах”. В 1783 году он писал: “Если светящиеся тела вращаются вокруг невидимого чего-то, то мы должны быть в состоянии из движения этого вращающегося тела с известной вероятностью сделать вывод о существовании этого центрального тела”.
Год 1997. Новые открытия
Совсем недавно удалось доказать, что некоторые черные дыры вращаются, вовлекая в это движение и окружающее их пространство. “До сих пор мы умели узнавать лишь массу черной звезды, теперь можем определять ее вращательный импульс”, – с гордостью говорит сотрудник Центра НАСА в Хантсвилле Шуанг Нан Цанг.
Черную дыру
окружает некая граница, и вся
материя, находящаяся внутри нее,
непременно будет поглощена дырой.
Размеры границы зависят, в
частности, от скорости вращения
черной дыры. Эту скорость можно
посчитать, если знать, с какой
скоростью движется материя у
границы.
Расшифровывая информацию, поступающую от спутников, улавливающих рентгеновское излучение, Шуанг Нан Цанг и его коллеги пришли к выводу, что в Млечном Пути находятся 12 черных дыр с массой от трех до тридцати солнечных. Некоторые из этих дыр вращаются очень медленно, другие – вовсе неподвижны. Но две вращаются вокруг своих осей с невероятной скоростью.
“Исследуя
вращение черной дыры, – пишет
астрофизик из Балтимора Марио
Ливио, – можно узнать, сколько
материи она успела поглотить за
свою жизнь и как вращательный
импульс связан с выбросом материи в
виде осевой струи”. Цанг убежден,
что эти две быстро вращающиеся
дыры, обнаруженные в нашей
Галактике, посылают в свои
окрестности струи
высокоэнергичных частиц.
Струи
вращаются примерно с той же скоростью, что и
сама черная дыра.
Точные измерения позволяют определить скорость вращения вихря материи прежде, чем она исчезнет в черной дыре.
Кроме того, ученые обнаружили колебания интенсивности рентгеновского излучения у обоих объектов. Эти наблюдения навели в конце 1997 года на след еще более удивительного феномена: газовые и пылевые частицы около двух черных дыр, о которых идет речь, подвержены периодическому движению, называемому прецессией. Это значит, что ось вихревого движения частиц не стоит на месте, а в свою очередь вращается вокруг другой оси.
Такое движение
нам хорошо знакомо: полярная ось
Земли тоже вращается и описывает
своим (воображаемым) концом на небе
круг за 25800 лет. У черных дыр
прецессия происходит много
интенсивнее: ось газо-пылевого
диска (GRS 1915+105) оборачивается 67 раз в
секунду, ось диска, окружающего
вторую дыру (GROJ 1655-40), делает 300
оборотов в секунду.
Это говорит о
том, что пространство около черных
дыр само вовлечено во вращение,
примерно так, как вода в ванне закручивается
перед выпускным отверстием.
Возможность существования подобного феномена предвидели еще в 1918 году австрийские физики Иосиф Лензен и Ганс Тюрринг. Они пришли к такому выводу на основе Общей теории относительности А. Эйнштейна. И вот только теперь, в конце прошлого года, впервые доказано, что такой эффект действительно существует.
Нынешний успех
астрономии доказывает, что черные
дыры – не просто экзотические
объекты Вселенной, окрыляющие нашу
фантазию, они заставляют
задуматься над тем, что многие
причудливые особенности природы
еще не познаны. Два итальянских
астронома, Луиджи Стелла и Марио
Виертри, на основе данных,
полученных со спутника RXTE, открыли
искривление пространства около
нейтронной звезды, правда, очень
слабое.
Уже создается спутник,
названный “Gravity Probe В”,
специально приспособленный для
исследования эффектов теории
относительности. Его старт
планируется на 2000 год.
Гипотезы и парадоксы
Общая теория относительности, как известно, предсказала, что масса искривляет пространство. И уже через четыре года после опубликования работы Эйнштейна этот эффект был обнаружен астрономами. При полном солнечном затмении, проводя наблюдения с телескопом, астрономы видели звезды, которые на самом деле были заслонены краем черного лунного диска, покрывшего Солнце. Под действием солнечной гравитации изображения звезд сместились. (Здесь поражает еще и точность измерения, потому что сместились они меньше, чем на одну тысячную градуса!)
Астрономы теперь
точно знают, что под влиянием
“линзы тяготения”, которую
представляют собой тяжелые звезды
и, прежде всего, черные дыры,
реальные позиции многих небесных
тел на самом деле отличаются от тех,
что нам видятся с Земли. Далекие
галактики могут выглядеть для нас
бесформенными и более яркими, чем
они есть на самом деле из-за того,
что на пути к Земле их свет
взаимодействует со множеством
“линз тяготения”. Иногда луч,
проходя мимо тяжелого объекта,
расщепляется, и тогда наблюдатель с
Земли видит множество изображений
одного и того же объекта, или же они сливаются в
кольцо.
Моделирование на компьютере показало, например, что свечение газового диска, вращающегося вокруг черной дыры, видно и сзади ее “капсулы”. Это означает: тяготение столь велико и пространство так закручено, что свет проходит по кругу. Поистине там можно увидеть то, что происходит за углом.
Вообразим совершенно невероятное: некий отважный космонавт решил направить свой корабль к черной дыре, чтобы познать ее тайны. Что он увидит в этом фантастическом путешествии?
По мере
приближения к цели часы на
космическом корабле будут все
больше и больше отставать – это
вытекает из теории
относительности.
На подлете к цели
наш путешественник окажется как бы
в трубе, кольцом окружающей черную
дыру, но ему будет казаться, что он
летит по совершенно прямому
тоннелю, а вовсе не по кругу. Но
космонавта ждет еще более
удивительное явление: попав за
“горизонт событий” и двигаясь
по трубе, он будет видеть свою
спину, свой затылок…
Общая теория относительности говорит, что понятия “вовне” и “внутри” не имеют объективного смысла, они относительны так же, как указания “налево” или “направо”, “верх” или “низ”. Вся эта парадоксальная путаница с направлениями очень плохо согласуется с нашими повседневными оценками.
Как только
корабль пересечет границу черной
дыры, люди на Земле уже не смогут
ничего увидеть из того, что там
будет происходить. А на корабле
остановятся часы, все краски будут
смещены в сторону красного цвета:
свет потеряет часть энергии в
борьбе с гравитацией.
Все предметы
приобретут странные искаженные очертания.
И, наконец, даже если эта черная
дыра будет всего вдвое тяжелее, чем
наше Солнце, притяжение станет
столь сильным, что и корабль, и его
гипотетический капитан будут
вытянуты в шнурок и вскорости
разорваны. Материя, попавшая внутрь
черной дыры, не сможет
противостоять силам, влекущим ее к
центру. Вероятно, материя
распадется и перейдет в
сингулярное состояние.
Согласно некоторым представлениям, эта распавшаяся материя станет частью какой-то иной Вселенной – черные дыры связывают наш космос с другими мирами.
Галактический успех: Нобеля по физике вручили за черные дыры | Статьи
Нобелевская премия по физике 6 октября была присуждена за открытие черных дыр. Теоретическое доказательство их существования и связь с теорией относительности Альберта Эйнштейна обеспечил известный английский физик Роджер Пенроуз, за что ему вручили половину денежной премии.
А вот экспериментально существование черных дыр параллельно и независимо друг от друга подтвердили немецкий астрофизик Рейнхард Генцель и астроном из США Андреа Гез. Им и досталась вторая половина премии.
Трое ученых, отмеченных высшей научной наградой, внесли огромный вклад в доказательство существования черных дыр, о которых стали задумываться еще в начале ХХ века — сразу после того, как Альберт Эйнштейн представил миру теорию относительности. Однако тогда все это было догадками, в которые не верил и сам Эйнштейн.
Сложность состояла в том, чтобы математически увязать эти массивные объекты, которые должны находиться в середине галактик, с физическими законами.
Галактический успех
Объявление лауретов Нобелевской премии по физике 2020 года в Шведской Королевской Академии Наук, Стокгольм, 6 октября 2020 года
Фото: Global Look Press/Wei Xuechao/XinHua
— Получившие премию ученые доказали, что черные дыры — не фантастика, а реально существующие объекты.
Это великое достижение, — считает профессор Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Томского политехнического университета (проект повышения конкурентоспособности образования «5-100») Сергей Кетов. — Роджер Пенроуз развил теорию черных дыр, а Рейнхард Генцель и Андреа Гез подтвердили на основании гравитационного поля существование сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики.
Родившийся в 1931 году Роджер Пенроуз сегодня — один из известнейших мировых ученых. Его книги переведены на множество языков, ими зачитываются любители космологии. А вот сам Роджер, по его словам, никогда не любил читать. На вопрос о его любимой книге в интервью журналу Discover он ответил: «Чтение было не совсем тем, чем я занимался».
галактический успех
Роджер Пенроуз
Фото: REUTERS
Российским читателям, возможно, будет приятно узнать, что его бабушка происходила из латвийской еврейской семьи и жила в Санкт-Петербурге, пока не покинула страну в конце XIX века.
Кстати, в Россию ученый приезжал с лекциями не так давно, в 2013 году.
Математика Роджеру поначалу не очень давалась, хоть и нравилась. Просто он был настолько медлительным, что на решение задач у него уходило в два раза больше времени, чем у остальных, поэтому его даже перевели в специальный класс младшей школы. Однако в результате мальчик стал Нобелевским лауреатом, получив премию именно за математические расчеты.
Своими расчетами он доказал, что черные дыры могут образовываться и существовать в реальных условиях. Они вписываются в теорию относительности Эйнштейна.
Увидеть то, чего нетПосле того, как возможность существования черных дыр была доказана, немецкий астрофизик Рейнхард Генцель и параллельно с ним американка астроном Андреа Гез, возглавившие отдельные исследовательские группы, изучающие центр нашей галактики, сумели увидеть на небе искривления траектории пролетающих мимо черной дыры объектов.
Галактический успех
Андреа Гез
Фото: REUTERS/Elena Zhukova/University of California Los Angeles/Sipa USA
Единственным объяснением этого искривления было существование черной дыры.
Но увидеть ее саму невозможно, так как дыра поглощает все, включая свет.
Андреа Гез, по ее словам, смотрит в телескоп с четырех лет. Правда, в детстве девочку больше интересовало то, что творится в квартирах соседей из соседних домов, но сейчас она увидела то, что действительно достойно мировой награды.
— Рейнхард Генцель и Андреа Гез возглавляют большие группы инженеров и астрофизиков, которые уже четверть века бьют в одну точку, находящуюся в центре нашей галактики — гигантскую массивную черную дыру, которую очень трудно исследовать, — объяснил старший научный сотрудник Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга, доцент физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова Владимир Сурдин.
Галактический успех
Рейнхард Генцель
Фото: Global Look Press/Imago
— Эта точка закрыта многослойным пылевым одеялом, и добраться до нее было нелегко, сделать это удалось это только в инфракрасном диапазоне.
Различить мелкие детали было невозможно, пока коллектив инженеров и астрофизиков не создал замечательную вещь — адаптивную оптику, которая приспосабливается к флуктуациям земной атмосферы. Это позволило убрать недостатки в изображениях, которые вносила атмосфера нашей планеты.
Чтобы это сделать, пришлось задействовать два крупнейших на данный момент телескопа. Немецкий астроном Рейнхард Генцель и его группа первоначально использовали NTT (New Technology Telescope) — телескоп на горе Ла Силья в Чили, а впоследствии — VLT (Very Large Telescope) на горе Паранал, также в Чили. VLT имеет самые большие в мире монолитные зеркала, каждое диаметром более восьми метров.
Галактический успех
Обсерватория Кека на горе Мауна-Кеа, Гавайские острова, США
Фото: facebook.com/Mauna Kea Observatory
Андреа Гез и ее исследовательская группа использовали обсерваторию Кека, расположенную на гавайской горе Мауна-Кеа.
Его зеркала имеют диаметр почти 10 метров, и в настоящее время являются одними из самых больших в мире.
В конце концов астрономы поняли, что в середине нашей галактики Млечного пути находится гигантская черная дыра, которая должна быть эквивалентна примерно 4 млн солнечных масс.
Астрофизика на подъемеМожет показаться удивительным, что премию второй год подряд присуждают за достижения в астрофизике. Но этому есть объяснение.
— За последние два года появилось множество интересных открытий, в первую очередь публикация результатов исследования с помощью так называемого «телескопа горизонта событий», — рассказала научный сотрудник отдела теоретической астрофизики Астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева РАН Елена Михеева. — Он первым построил изображение черной дыры, которое было опубликовано в журнале Astrophysical Journals 10 апреля 2019 года. Полученные данные нужно осмыслить, перепроверить, но в целом это замечательный результат, который сильно продвинул вперед всю астрофизику и астрономию.
Галактический успех
Фото: Global Look Press/Jan Woitas/dpa
Это спровоцировало значительный рост публикаций по черным дырам, что вполне могло повлиять на решение Нобелевского комитета.
Эксперт отметила, что наука развивается «волнами», и в каждой ее области бывают периоды подъемов и спадов. Иногда материалы по теме накапливаются долгое время, что приводит в некий момент к лавинообразному росту публикаций. Сейчас такой подъем количества интересных данных наблюдается в области астрофизики.
Казалось бы, космические открытия могут дать людям понимание того, как устроена Вселенная, но не практическую пользу. Однако эксперты опровергают это утверждение.
По словам профессора Высшей инженерно-физической школы Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого Александра Иванчика, вся фундаментальная физика рано или поздно получает практическую ценность. Эксперт сравнил черные дыры с четкими маяками во Вселенной, с помощью которых можно осуществлять координатную привязку.
— Системы навигации, в частности, используют и черные дыры в активных ядрах галактик для уточнения координатного позиционирования, — пояснил эксперт. — Так что они уже имеют практическое применение.
Галактический успех
Первая фотография чёрной дыры, сделанная телескопом Event Horizon Telescope
Фото: Global Look Press/Xinhua
Руководитель научной программы «РадиоАстрон» Юрий Ковалев добавил, что без учета общей теории относительности Альберта Эйнштейна системы глобального позиционирования, например, ГЛОНАСС, не будут работать с той точностью, которая нужна.
Появление большого количества данных, в свою очередь, порождает новые теории. Поэтому вполне вероятно, что в следующем году награду снова получат ученые, чьи работы посвящены космосу и астрофизике. Например, в ближайшее время астрономы ожидают открытия природы черной материи, точнее, того, что же является физическим носителем этого загадочного вещества.
Впрочем, порой полученные результаты только отбрасывают теорию назад, и тогда на подъеме оказывается совсем другая область физики.
Стивен Хокинг и наука о черных дырах
Он был последним физиком, чей уникальный профиль вышел за рамки науки и стал, подобно Эйнштейну, иконой массовой культуры. Его образ по-прежнему связан с полем, на долю которого приходится основная часть его работ, — черными дырами. Открытия Стивена Хокинга (8 января 1942 г. – 14 апреля 2018 г.) пролили свет на тьму этих загадочных астрономических объектов, но в то же время подняли вопросы, которые будут беспокоить ученых еще десятилетия.
В сознании людей черные дыры часто представляются огромными космическими пылесосами, всасывающими все на своем пути, включая свет. Это вызывающая воспоминания, но неверная идея. Черная дыра не является и не создает вакуума, а совсем наоборот; оно притягивается под действием гравитации, потому что плотность его массы так огромна.
Отсюда следует, что нам нечего бояться, если Солнце будет заменено черной дырой той же массы — хотя наш мир был бы намного холоднее и темнее, планеты продолжали бы беспрепятственно вращаться по орбитам, потому что масса черной дыры быть эквивалентным Солнцу.
Существование черных дыр вытекает из общей теории относительности, опубликованной Альбертом Эйнштейном в 1915 году, и последующих работ Роберта Оппенгеймера, Карла Шварцшильда, Субрахманьяна Чандрасекара и других. Пространство и время образуют ткань, искривленную массой, как батут. Черная дыра — это шар настолько тяжелый, что в его центре есть сингулярность, область настолько бесконечно плотная, что она схлопывает бездонный трамплин. Любой объект, который мы поместим рядом, будет стремиться упасть на шар, поэтому гравитационный эффект черной дыры ощущается в его окружении. Астрофизики смогли идентифицировать множество таких черных дыр, обнаружив космические объекты, вращающиеся вокруг кажущейся пустоты; это гравитационное притяжение выявляет присутствие чего-то, что иначе совершенно невидимо.
Решетчатая аналогия деформации пространства-времени, вызванная планетарной массой. Кредит:
MysidЭти черные дыры часто называют звездными черными дырами; они возникают после смерти звезды, чье внутреннее газовое давление, выталкиваемое наружу, больше не может противодействовать огромной силе гравитации, которая сжимает ее оставшееся вещество, пока она не коллапсирует в черную дыру, масса которой в пару десятков раз превышает массу Солнца. Они крошечные по сравнению с теми, которые могут хранить до миллионов солнечных масс, сверхмассивными, которые находятся в центре многих галактик. С другой стороны, есть черные дыры, еще мельче звездных, микрочерные дыры, образовавшиеся в ранней Вселенной.
Точка невозврата
Независимо от их размера, все они окружены невидимой границей, называемой горизонтом событий, точкой невозврата, за которую ничто не может выйти, даже свет. Вокруг этого горизонта массы пыли и газа настолько ускоряются гигантским приливом гравитации, что нагреваются и светятся, излучая излучение и иногда образуя аккреционный диск, что позволяет нам наблюдать тень, которую сама черная дыра отбрасывает на светящуюся звенеть.
Благодаря этому эффекту 10 апреля 2019 года удалось добиться успеха Телескопу горизонта событий (EHT), международному сотрудничеству наземных радиотелескопов.в предоставлении человечеству первого изображения черной дыры, которая занимает центр галактики M87.
В 1974 году исследование Хокинга, опубликованное в журнале Nature , потрясло науку того времени, предположив, что черные дыры не такие уж черные и что они не растут бесконечно, как предполагали физики, в том числе и он сам. Его гениальность заключалась в том, чтобы объединить два традиционно непримиримых мира: общую теорию относительности — эйнштейновскую гравитацию, используемую для объяснения образования и эволюции черных дыр, — и квантовую механику, описывающую природу субатомного мира. В своих более ранних работах Хокинг показал, как теория относительности привела к сингулярности черной дыры, но тогда нужно было вскрыть квантовый сундук, чтобы объяснить, что там происходит.
Как объяснил Хокинг в общедоступной версии своей теории — формально неверной для облегчения понимания, как объяснил физик Итан Сигел, — квантовая теория предполагает непрерывное создание виртуальных пар частица-античастица, которые почти мгновенно аннигилируют друг друга. Но если это произойдет прямо на краю горизонта событий черной дыры, это может привести к тому, что античастица с отрицательной энергией упадет внутрь, похитив энергию у черной дыры, а ее партнер улетит в космос с такой же положительной энергией. В конце концов, это привело бы к полному испарению черной дыры без выхода из нее материи или энергии; хотя, как указал Хокинг в своем исследовании, «для черной дыры солнечной массы это намного больше, чем возраст Вселенной». В гораздо меньших черных дырах это было бы быстрее и завершилось бы финальным взрывом, эквивалентным «1 миллиону 1-мегатонных водородных бомб», писал он.
Визуализация имитирует внешний вид черной дыры, в которой падающая материя собирается в тонкую горячую структуру, называемую аккреционным диском.
Предоставлено: Event Horizon Telescope Collaboration Излучение Хокинга
Демонстрация Хокингом того, что черные дыры могут излучать излучение, является «его самым важным результатом», Хуан Малдасена, физик из Принстонского института перспективных исследований, внесший значительный вклад в теорию струн и квантовую теорию гравитация, говорит OpenMind . Но в то время это излучение Хокинга открыло настоящий раскол между релятивистами и квантовыми физиками, поскольку у последних теперь была радикальная проблема: если, согласно квантовой физике, информация, связанная с частицами, никогда не уничтожается, но никакая материя или энергия никогда не ускользает черная дыра, как черная дыра может просто исчезнуть, унеся с собой эту информацию?
Излучение Хокинга широко распространено в современной физике, хотя его практически невозможно измерить и, следовательно, проверить. Как это ни парадоксально, оно выбрасывается в больших количествах меньшими, необнаружимыми черными дырами, в то время как более крупные, те, которые астрофизики могут изучать непосредственно, производят так мало, что его невозможно отличить от космического фонового излучения.
Но, по крайней мере, подобное явление воссоздано в лаборатории: исследователи Технионского технологического института Израиля создали аналоги крошечных черных дыр, которые работают со звуком, а не со светом, и сумели продемонстрировать нечто похожее на излучение Хокинга. Эти эксперименты подтвердили два предсказания физиков: излучение спонтанно — оно генерируется из пустого пространства — и что оно стационарно — его интенсивность не меняется со временем.
«Мягкие волосы» черных дыр
Но, со своей стороны, так называемый информационный парадокс, по мнению Малдасены, остается самым важным из вопросов, поднятых работой Хокинга. Этот вопрос занимал физиков последние полвека, включая самого Хокинга, который до самой смерти неустанно искал теорию, способную объединить общую теорию относительности и квантовую механику, другими словами, квантовую теорию гравитации, описывающую то, что происходит внутри черных дыр. .
Стивен Хокинг объясняет черные дыры за 90 секунд.
Фото: BBC В последних работах известного физика было предложено решение проблемы поиска информации. В 1970-х годах Джон Уилер, популяризировавший термин «черная дыра», и Джейкоб Бекенштейн утверждали, что «черные дыры не имеют волос» в том смысле, что «единственные свойства, которыми может обладать черная дыра, — это ее масса, ее электрический заряд и угловой момент», — рассказывает физик из Кембриджского университета Малкольм Перри, сотрудник Хокинга.0025 OpenMind . Таким образом, «если бы кто-то наблюдал черную дыру, вы ничего не могли бы сказать о том, как она образовалась», поскольку вся остальная информация внутри нее теряется; горизонт событий — это, так сказать, оголенная граница, лишенная всякой информации.
Однако в 2018 году Хокинг, Перри и их сотрудники нашли теоретический способ предположить, что черные дыры могут иметь «мягкие волосы», «бесконечный набор дополнительных свойств, которыми может обладать черная дыра», — говорит Перри.
Как рассказывает Марика Тейлор, физик из Саутгемптонского университета, чья докторская диссертация была написана под руководством Хокинга, OpenMind , эти метафорические волосы «предлагают способы, с помощью которых черные дыры могут отслеживать информацию на своих поверхностях, чтобы в конечном итоге эта информация была восстановлена».
Но Перри предупреждает, что, хотя эти идеи способствуют возможному разрешению информационного парадокса, они не являются окончательным словом. «Я считаю, что мягкие волосы — часть решения этих загадок, но не все; есть еще куда идти», — говорит он. В последнее время помимо мягких волос появились и другие модели. «За последние год или два произошли захватывающие события в области извлечения информации из черных дыр, — добавляет Тейлор. Для Малдасены эти новые разработки представляют собой «важные вехи в анализе информационного парадокса».
По словам Тома Бэнкса, физика из Университета Рутгерса, который участвовал в научных дискуссиях с Хокингом, вклад британца был «наиболее важной отдельной частью работы, которая способствовала нашему пониманию — все еще очень ограниченному — связи между квантовой механикой и общей теорией относительности.
— говорит он OpenMind . Это путь, по которому пройдены полвека и по которому еще многое предстоит сделать. «Прогресс — это хорошо, но сроки решения этих самых серьезных проблем очень велики», — говорит Эндрю Строминджер, соавтор исследования мягких волос в Гарвардском университете.0025 OpenMind . «Мы пытались понять черные дыры сто лет. Я надеюсь, что мы сможем завершить это еще за 50».
Анимация, представляющая один год эволюции изображения M87 в соответствии с численным моделированием. Источник:
Illinois Physics К сожалению, Хокинг никогда не получит Нобелевскую премию, которая не присуждается посмертно и которую никогда не получал самый популярный ученый своего времени, поскольку она присуждается только за результаты в теоретической физике, когда они экспериментально проверяются. Последний парадокс Хокинга заключался в том, что его коллега Роджер Пенроуз получил награду в 2020 году за работу, которую они в значительной степени разработали в сотрудничестве.
«Работа Хокинга настолько опередила соответствующие эксперименты, что подтверждающие экспериментальные данные не были доступны на протяжении большей части его жизни», — отмечает Тейлор. «Если бы Хокинг был еще жив в 2020 году, вполне вероятно, что он получил бы часть этой премии».
@yanes68
Ученые смоделировали черную дыру в лаборатории, а затем она начала светиться : ScienceAlert
Моделирование искривленной и вращающейся черной дыры. (Yukterez/Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0)
Новый вид аналога черной дыры может рассказать нам кое-что о неуловимом излучении, теоретически испускаемом реальным объектом.
Используя цепочку атомов в один ряд для имитации горизонта событий черной дыры, группа физиков наблюдала эквивалент того, что мы называем излучением Хокинга — частицы, рожденные в результате возмущений квантовых флуктуаций, вызванных разрывом черной дыры. в пространстве-времени.
Это, по их словам, может помочь устранить противоречие между двумя в настоящее время непримиримыми концепциями описания Вселенной: общей теорией относительности, которая описывает поведение гравитации как непрерывного поля, известного как пространство-время; и квантовая механика, описывающая поведение дискретных частиц с помощью математики вероятности.
Для единой теории квантовой гравитации, которую можно было бы применять повсеместно, эти две несмешивающиеся теории должны найти способ как-то ужиться.
Здесь на сцену выходят черные дыры — возможно, самые странные и экстремальные объекты во Вселенной. Эти массивные объекты настолько невероятно плотны, что на определенном расстоянии от центра масс черной дыры никакая скорость во Вселенной не достаточна для побега. Даже не скорость света.
Это расстояние, меняющееся в зависимости от массы черной дыры, называется горизонтом событий. Как только объект пересекает свою границу, мы можем только догадываться, что происходит, поскольку ничего не возвращается с жизненно важной информацией о его судьбе.
Но в 1974, Стивен Хокинг предположил, что прерывания квантовых флуктуаций, вызванные горизонтом событий, приводят к типу излучения, очень похожего на тепловое излучение.
Если это излучение Хокинга существует, оно слишком слабое, чтобы мы могли его обнаружить. Возможно, мы никогда не отсеем его от шипящей статики Вселенной. Но мы можем исследовать его свойства, создавая аналоги черной дыры в лабораторных условиях.
Это делалось и раньше, но теперь команда под руководством Лотте Мертенс из Амстердамского университета в Нидерландах сделала нечто новое.
Одномерная цепочка атомов служила траекторией для «прыжков» электронов из одного положения в другое. Настраивая легкость, с которой может происходить этот прыжок, физики могли заставить исчезнуть определенные свойства, фактически создав своего рода горизонт событий, который мешал волнообразной природе электронов.
Эффект этого поддельного горизонта событий привел к повышению температуры, которое соответствовало теоретическим ожиданиям эквивалентной системы черных дыр, заявила команда, но только тогда, когда часть цепи вышла за горизонт событий.