Черные дыры: почему они черные, как их находят и при чем здесь квазары
Что такое черная дыра
Черная дыра — это область внутри космоса с настолько сильной гравитацией, что она засасывает все вокруг, включая свет. Профессор РАН Сергей Попов объясняет, что у черных дыр нет одного четкого определения, и даже такое — это один из вариантов. Если спросить разных ученых — астрофизиков и физиков — они подойдут к ответу с разных сторон. Есть энциклопедические словари, которые закрепляют определения и дают конкретные ответы, но единственно верной формулировки не существует.
Сам Сергей определяет черные дыры как максимально компактный объект, который не демонстрирует свойств поверхности. И размер этого объекта соответствует радиусу Шварцшильда — расстоянию от центра тела до горизонта событий. Где горизонт событий — это «точка невозврата» или граница черной дыры. Для каждого объекта существует свой радиус Шварцшильда, который можно рассчитать. Если сжать любой предмет до этого радиуса, он превратится в черную дыру. Условно говоря, если бы мы хотели сжать Солнце и трансформировать его в черную дыру, его радиус составил бы всего 3 км, при изначальных около 700 тыс. км.
Само словосочетание «черная дыра» — это просто удачно придуманное обозначение. Примерно как «Большой взрыв». Сама идея черных дыр возникла в конце XVIII века. Тогда их называли по-другому: были варианты «застывшие звезды» или «коллапсары». Но в итоге научная журналистка Энн Юинг предложила такой термин.
Сергей рассказывает, что в науке часто приживается какое-то словосочетание именно благодаря тому, что оно удобное. Дыра — потому что, если что-то туда попало, то не может выбраться назад. А черная — потому, что сам по себе этот объект ничего или практически ничего не излучает. Если представить пустую Вселенную, черный космос, и поместить там черную дыру, то ее невозможно будет увидеть. Она ничем не выделяется на фоне этой черноты.
Черные дыры как область пространства-времени
Черные дыры еще определяют как область пространства-времени. Сергей Попов объясняет, что все современные теории гравитации — теории геометрические. В них гравитация описывается как свойство пространства и времени. Имеется в виду, что между пространством и временем можно составить уравнение, это взаимосвязанные величины.
С начала ХХ века, с первых работ Эйнштейна по теории относительности, пространство и время объединены в некоторую сущность. Любые тела, не только массивные, но и самые маленькие, искривляют пространство вокруг себя и одновременно влияют на ход времени. Современные измерения позволяют определить, что в одном месте время идет не так, как в другом. Можно провести эксперимент и обнаружить эту разницу.
Черная дыра — это экстремальный способ воздействия на пространство — когда в одном месте собрали так много вещества или энергии, что пространство-время свернулись и образовали специфическую область. Можно говорить, что черная дыра — это объект, но с бытовой точки зрения объект — это что-то имеющее поверхность. Если идти по абсолютно темной комнате, можно наткнуться на стол, это будет объект с началом в конкретной точке. Если в абсолютно темной комнате или с завязанными глазами попасть в черную дыру, невозможно заметить ее границу. Потому что нет никакой твердой поверхности, человек сразу окажется внутри этой области.
Сергей сравнивает такой переход с государственными или областными границами. Если идти по лесу из одной страны в другую, то без указателей и карт невозможно заметить, в какой точке кончается одно государство и начинается другое. Лес в Финляндии ничем не отличается от леса в России, и нет никакой четкой границы, на которую можно наткнуться. И черная дыра — это такая область, где масса свернула пространство-время, и в итоге никакие предметы не могут ее покинуть, как только пересекут границу. Все, что туда попало, навсегда останется за горизонтом.
Черные дыры интересны в первую очередь как экстремальные объекты. Это максимально скрученное пространство-время, и многие эффекты становятся более заметны вблизи черных дыр. Начинают появляться принципиально новые физические феномены.
В теории гравитации стремятся подобраться как можно ближе к этим экстремальным объектам. Поэтому, говорит Сергей, изучение поведения вещества в окрестности черных дыр — очень интересная штука.
Как обнаружить черную дыру
В конце своей жизни массивные звезды могут превращаться в черные дыры. И на этапе, когда только пытались найти первые черные дыры, возник вопрос: как их можно обнаружить. Первая идея была такой: звезды, особенно массивные, нередко рождаются парами. Одна из таких звезд превращается в черную дыру, и мы перестаем ее видеть. При этом она продолжает существовать. Предполагалось, что мы сможем увидеть вращение соседней звезды вокруг этого невидимого объекта, при помощи вычислений измерить его массу и обнаружить, что в этом месте находится черная дыра.
Сергей Попов рассказывает, что исторически это был первый предложенный способ поиска. С 60-х годов ученые пытались искать их по такому методу, но ничего не обнаружили. Последние пару лет стали появляться возможные кандидаты на звание черных дыр, но ученые пока не уверены, что в паре с обычными звездами находятся именно они.
Если опять обратиться к черной дыре, которая соседствует со звездой, то вещество с обычной звезды может перетекать в дыру. Черная дыра своей гравитацией будет засасывать это вещество. Если представить, что в нее одновременно кинули два камня, они могут столкнуться над горизонтом на скорости почти равной скорости света. При таком столкновении выделится много энергии, которую можно заметить.
Но в звездах не камни, а газ. Когда разные слои газа трутся друг о друга, они нагреваются до миллионов градусов, и это тепло можно увидеть. С помощью такого способа в конце 60-х — начале 70-х годов, когда стали запускать первые рентгеновские детекторы в космос, открыли и первые черные дыры.
В начале 60-х годов стало ясно, что есть яркие астрономические объекты — квазары. Дословно— «похожий на звезду радиоисточник». Это активные ядра галактик на начальном этапе развития, в центре которых находятся сверхмассивные черные дыры. Обнаружить их можно даже на очень отдаленных расстояниях. В ходе изучения квазаров стало ясно, что это небольшой источник, который находится в центре далекой галактики и при этом испускает много энергии. Попов рассказывает, что когда ученые открывают квазар, они уверены, что там «сидит» сверхмассивная черная дыра. Сейчас это самый массовый способ открытия черных дыр.
Почти все массивные звезды превращаются в черные дыры, но не все они находятся в двойных системах, или у них нет перетекания. В таком случае дыры ищут другим способом. Сергей рассказывает, что черная дыра сильно искажает пространство-время вокруг себя, но тут важна не столько масса, сколько компактность. Понять это легко, достаточно представить острый предмет. Это предмет с очень маленькой площадью. Если просто ткнуть куда-то пальцем, нельзя проткнуть поверхность, а если с такой же силой надавить на иголку, то проткнется палец, которым на нее давят. Так вот маленькие объекты при той же массе сильнее искривляют пространство-время вокруг себя. Такой эффект называется гравитационным линзированием.
Ученые наблюдают за звездой и вдруг замечают, что ее блеск растет, а потом совершенно симметрично спадает обратно. Со звездой ничего не произошло, но между нами и звездой пролетел массивный объект. И этот массивный объект, искажая пространство-время, собрал световые лучи.
Поэтому кажется, будто возрастает светимость звезды, а на самом деле просто больше ее света было собрано и попало к нам. Звезда с массой десять масс Солнца светила бы очень заметно, ученые бы ее не пропустили. А в таких наблюдениях появляется абсолютно темный объект с массой примерно десять солнечных. Что это может быть? Только черная дыра.
Если есть пара черных дыр, то, сливаясь, они будут порождать гравитационно-волновой всплеск. И в 2015 году впервые были обнаружены такие всплески гравитационного излучения. Это последний на сегодняшний день хороший способ поиска черных дыр.
Как сфотографировать черную дыру
Сергей Попов предлагает вспомнить фильмы или книги о человеке-невидимке. Его не видно, но если он надевает на себя одежду, мы видим одежду. Если пытается скрыться, то можно обсыпать его мукой или заметить следы. Черные дыры изучают примерно тем же способом. Ученые не видят горизонт событий и не видят недра черной дыры, поскольку ничто не может пересечь горизонт обратно в нашу сторону. Но они изучают поведение вещества вокруг.
То, что принято называть фотографией черной дыры, на самом деле — изображение вещества, движущегося вокруг черной дыры. Но в центре действительно возникает темная область, поскольку там находится черная дыра, из которой не может исходить свет.
По большей части черные дыры — маленькие объекты, находящиеся очень далеко от нас. Разглядеть черноту внутри яркой области удалось всего в одном случае. Для качественного снимка нужна была самая большая черная дыра в центре относительно близкой галактики. Дальше встала техническая задача — получить изображение с достаточной детализацией. Ни один телескоп сам по себе не может сделать такое изображение. Но если совместить несколько телескопов и разнести их на большие расстояния, то с точки зрения деталей они будут работать как один большой телескоп. Именно таким способом, при помощи нескольких телескопов, разбросанных почти по всему земному шару, удалось сделать снимок того, что все называют фотографией черной дыры в галактике М87. Такая фотография пока остается единственной.
Чтобы получить нечто похожее на снимок от других объектов, ученым нужны новые инструменты. Тем не менее есть прямые данные наблюдения поведения вещества вокруг разных черных дыр, практически вплоть до самого горизонта. До расстояния всего в несколько раз превышающих размер горизонта черной дыры.
Источник
Черные дыры: откуда они взялись и почему ученые так ими интересуются
Во Вселенной существуют триллионы различных объектов, природу большинства из них современная наука до сих пор не понимает до конца. В число этих объектов входят и черные дыры — одни из самых странных явлений в космосе, существование которых даже не могли предположить научные фантасты. «Хайтек» подробно рассказывает, как открывали черные дыры и сможет ли человечество в дальнейшем как-то использовать их.
Что такое черная дыра
Черной дырой в классическом понимании называют область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько сильно, что ее не могут покинуть никакие объекты, движущиеся со скоростью света. Даже кванты самого света.
Граница черной дыры называется горизонтом событий, а ее размер — гравитационным радиусом. Черные дыры притягивают к себе материю, которая образовывает вокруг них аккреционный диск — гигантскую структуру вокруг черной дыры, которая быстро вращается. Именно из-за материи, светящейся во время вращения, ученым и удалось обнаружить существование черных дыр. При этом внутрь черной дыры попадает лишь небольшое количество этой материи, остальное отправляется обратно в космос в виде струи плазмы или джета, траектория которой совпадает с линиями магнитного поля. У некоторых черных дыр скорость движения этой плазмы достигает 99% от скорости света.
Сейчас в астрофизике существует четыре основных сценария образования черных дыр.
— Гравитационный коллапс очень массивной звезды. Согласно этой гипотезе, в конце своей жизни практически любая звезда с массой более трех солнечных, которая уже израсходовала все термоядерные реакции, может превратиться именно в такой тип сверхплотной материи — в нейтронную звезду, которая необходима для возникновения подобного искривленного участка Вселенной. По сути, это звезда, которая схлопывается под собственной тяжестью, увлекает за собой пространственно-временной континуум, находящийся вокруг нее. Гравитационное поле этого объекта становится настолько сильным, что из него не может вырваться даже свет. Поэтому эта область называется черной дырой.
— Коллапс центральной части галактики или области протогалактического газа. По сути, процесс появления черных дыр в этой гипотезе очень похож на первый вариант, только коллапсирует под собственным весом часть галактики, а не отдельная звезда. Эта гипотеза основана на наблюдении ученых, что практически каждая галактика имеет черную дыру в своем центре. Это не сходится с версией о появлении черных дыр из коллапсирующих звезд.
— Появление черных дыр в момент начального расширения Вселенной, так называемые первичные черные дыры. Согласно этой гипотезе, сразу же после Большого взрыва давление и температура в космосе были сверхвысокими. В таких условиях простые колебания плотности материи, например, начало расширения Вселенной, были достаточно значительными, чтобы появились территории с такой гравитацией. При этом большинство областей с высокой плотностью удалилось друг от друга из-за расширения Вселенной. Также космологами высказано предположение, что первичные черные дыры с массами в диапазоне от 10 14 до 10 23 кг могут составлять темную материю. Это наиболее тяжелые кандидаты на частицы темной материи.
— Возникновение черных дыр в ядерных реакциях высоких энергий. Подобные реакции используют для изучения частиц в адронных коллайдерах.
Кроме того, черными дырами ученые часто называют объекты, не полностью соответствующие их точному определению, а лишь приближающиеся по своим свойствам к ним. В эту же категорию входят коллапсирующие звезды на поздних стадиях коллапса.
С 1970-х годов в среде астрофизиков существует теория белых дыр — полной противоположности черных дыр, которые не пропускают в себя материю и энергию, а только выбрасывают ее. Согласно математическим расчетам, белые дыры должны выбрасывать энергию и материю в огромном количестве, однако на сегодняшний день ученые не смогли найти доказательство существования этих космических объектов. Существует множество теорий возникновения белых дыр, начиная с того, что белой дырой был Большой взрыв, и заканчивая возникновением этого объекта в результате смерти черной дыры. Подробнее об этом типе космических объектов «Хайтек» подробно рассказывал здесь .
При этом пока неизвестно, что становится с черными дырами после их смерти. Ученые считают, что Вселенная еще слишком молода для разрушения первых из них. Согласно математическим расчетам Стивена Хокинга, черные дыры должны постепенно просто испаряться, отдавая свою энергию в окружающую среду.
Открытие черных дыр
Концепция существования массивного тела, гравитационное притяжение которого настолько велико, что скорость, которая необходима для его преодоления, превышает скорость движения света (а значит физически не может существовать во Вселенной), была впервые выдвинута английским ученым Джоном Мичеллом в 1784 году.
В своем письме в Королевское общество он рассказал, что в космосе может существовать множество таких недоступных наблюдению объектов радиусом в 500 солнечных, но с плотностью Солнца, гравитация которых не позволит свету выйти наружу.
Однако эта гипотеза вскоре была забыта, поскольку в рамках классической физики скорость света не имеет фундаментального значения. И только после того, как в 1905 году Альберт Эйнштейн в своей специальной теории относительности (СТО) использовал разработки электродинамики Лоренца, скорость света оказалась предельной, которую может развивать физическое тело. Это радикально изменило значение черных дыр в теоретической физике.
Следующий большой вклад в их изучение внес индийский нобелевский лауреат Субраманьян Чандрасекар, который создал фундаментальную для этого направления монографию — «Математическая теория черных дыр». Он изучал строение массивных звезд и возможное их превращение в нейтронные звезды либо черные дыры. Кроме того, он первым выдвинул теорию «об отсутствии волос» — о том, что у стационарной черной дыры нет внешних характеристик, помимо массы, момента импульса и определенных зарядов (специфических для различных материальных полей).
Фактически существование черных дыр было доказано только в 2015 году, а первый снимок их тени был сделан в апреле 2019 года — многие научные эксперты признали это открытие главным научным прорывом последнего десятилетия.
Существует несколько типов черных дыр:
- Черная звезда звездной массы. Такие объекты, согласно общепринятым гипотезам, возникают в результате коллапса звезды. Минимальная масса тела, которая должна создать такой объект, составляет около трех солнечных.
- Черная звезда средней массы. Промежуточный этап черной дыры, которая увеличилась за счет поглощения в себя газовых скоплений либо соседней звезды в системах парных звезд.
- Сверхмассивные черные дыры. Объекты с массой с 10 5 –10 11 масс Солнца с достаточно невысокой плотностью и слабыми приливными силами. Именно такая черная дыра находится в центре Млечного пути.
- Ультрамассивные черные дыры. Достаточно редкое явление во Вселенной. Например, в центре галактики Holm 15A, самой яркой в скоплении галактик Абель, ученые недавно обнаружили ультрамассивную черную дыру с массой в 40 млрд солнечных. Пока это самый тяжелый объект во Вселенной, известный ученым. Обнаружить объект исследователям удалось в ходе наблюдений за движением звезд в этой галактике. Его масса вдвое больше, чем у предыдущих рекордсменов. Кроме того, он в 10 000 раз массивнее, чем черная дыра Стрелец А* в центре Млечного пути.
Сколько черных дыр во Вселенной?
Никто не знает, поскольку наблюдать их достаточно сложно, и человечество пока находится только в самом начале изучения этих космических объектов. Точно известно, что в Млечном пути ученые обнаружили около десятка, однако в нашей галактике до 400 млрд звезд, из которых каждая тысячная имеет достаточно массы, чтобы образовать в конце своего существования черную дыру.
Источник