Меню

Как выглядит космос с черными дырами

Получена новая фотография черной дыры. Что в ней особенного?

В нашем стремлении познать Вселенную, мы – сапиенсы, продвинулись довольно далеко. Судите сами: физики из Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) разгоняют элементарные частицы до околосветовых скоростей и сталкивают их друг с другом; инженеры NASA успешно посадили на поверхность Красной планеты марсоход Perserverance; биологи объяснили сложную работу циркадных ритмов и это не говоря об изготовлении вакцины против COVID-19 в рекордные сроки. Но что особенно приятно, так это достижения астрофизиков, которым за последние несколько лет удалось доказать, что космические монстры – сверхмассивные черные дыры – действительно существуют. Так, в 2019 году мир впервые увидел снимок горизонта событий черной дыры. Теперь же международная команда радиоастрономов представила на обозрение изумленной публики более четкое изображение черной дыры, расположенной в 55 миллионах световых лет от Земли.

Вид на сверхмассивную черную дыру в поляризованном свете. Изображение: EHT

Эволюция массивных звезд

Можно ли сфотографировать объект, который не видно? Любой фотограф и человек, более-менее разбирающийся в свойствах видимого света, ответит на этот вопрос отрицательно. К счастью, человеческий глаз воспринимает далеко не весь световой спектр, а ученым относительно давно известно о существовании ультрафиолетового, инфракрасного и реликтового излучения.

Последним исследователи называют тепловое излучение, которое равномерно заполняет Вселенную и возникло спустя 300 000 лет после Большого взрыва. С течением времени микроволновое фоновое космическое излучение (от англ. cosmic microwave background radiation) позволило космологам получить представление о том, насколько велика была наша Вселенная вскоре после рождения.

Перед тем как говорить о сверхмассивных черных дырах напомним, что эти объекты представляют собой области пространства-времени, гравитация которых настолько сильна, что даже фотоны света не могут их покинуть. Сегодня физики полагают, что только звезды, чья масса превышает 15 солнечных, могут коллапсировать в этих космических монстров. Это происходит в самом конце их эволюции, когда материал для термоядерных реакций исчерпан и внутреннее давление не может удерживать внешние слои светила, из-за чего те падают в центр.

Причина, по которой сложно обнаружить нейтронные звезды заключается в том, что от них практически не исходит излучение.

Но если внешние слои звезды выбросит в окружающее пространство, произойдет вспышка сверхновой – последний акт превращения массивной звезды в нейтронную. Зависят эти процессы только от первоначальной массы объекта. Так что в космосе все очень и очень непросто.

Хотите узнать, как устроена Вселенная и какое будущее ее ждет? Подписывайтесь на наш канал в Яндекс.Дзен чтобы не пропустить уникальные статьи, которых нет на сайте!

Фотография космического монстра

На протяжении многих лет радиоастрономы международного проекта Event Horizon Telescope Collaboration наблюдали за сверхмассивной черной дырой – чудовищем в 6,5 миллиардов раз массивнее Солнца, которое вращается в центре огромной эллиптической галактики Messier 87. Примечательно, что последние два года исследовательская группа провела извлекая как можно больше данных из своих наблюдений о поляризации радиоволн, которые могут выявить форму магнитных полей в горячем газе, вращающемся вокруг дыры.

Бесценный труд астрофизиков позволил увидеть, что черная дыра в центре М87 закачивает материю внутрь, а энергию наружу в космос, словно вихрь вращающейся лопасти вентилятора реактивного двигателя. Примечательно, что струи и лепестки радио, рентгеновской и других форм энергии простираются более чем на 100 000 световых лет от черной дыры в М87. Большая часть этого излучения исходит от энергичных электрических частиц, вращающихся по спирали в магнитных полях.

Новое исследование поможет больше узнать о том, как магнитные поля влияют на активность черных дыр. Снимок Event Horizon Telescope Collaboration.

Как рассказали авторы исследования журналистам The New York Times, теперь они могут детально изучить как черная дыра направляет материал к своему центру. По мнению Дэниела Хольца, астрофизика из Чикагского университета, который не принимал участия в исследовании, эти релятивистские струи являются одними из самых экстремальных явлений в природе. Сочетание гравитации, горячего газа и магнитных полей производит луч, пересекающий всю галактику.

Читайте также:  Во мне космоса больш чем

Самая первая фотография горизонта событий черной дыры была получена в 2019 году.

Побочным результатом работы, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal Letters стало то, что астрономы смогли оценить скорость, с которой черная дыра питается своей средой. По-видимому, она не очень-то голодна, так как съедает «ничтожную» тысячную часть массы Солнца в год.

Диаметр космического монстра в центре галактики М87 в созвездии Девы, как отмечают авторы научной работы, составляет порядка 100 миллиардов километров, а масса около 6,5 миллиарда масс Солнца.

Отметим также, что закручивающиеся в воронку полосы, которые хорошо видно на фотографии — это силовые линии магнитного поля в окрестностях черной дыры. Само поле не очень мощное: от 1 до 30 Гауссов, что всего в 4–10 раз сильнее магнитного поля Земли на поверхности.

Новости, статьи и анонсы публикаций

Свободное общение и обсуждение материалов

Не так просто представить, учитывая все разнообразие форм, которые принимает материя во Вселенной, что на протяжении миллионов лет существовали только нейтра…

Сразу в нескольких пресс-центрах в мире прошли презентации результатов работы проекта Event Horizon Telescope – виртуального радиотелескопа размером с Землю….

Черные дыры получили свое название потому, что их гравитация настолько сильна, что удерживает даже свет. А раз свет не может покинуть черную дыру, то и инфор…

Источник

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.

Читайте также:  Какая группа дат связана с успехом ссср освоения космоса

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.

Читайте также:  Космос история освоения развития

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

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *