Черные дыры - одни из самых странных и завораживающих объектов в космосе. Они чрезвычайно плотные, с таким сильным гравитационным притяжением, что даже свет не может вырваться из их хватки.
Млечный Путь может содержать более 100 миллионов черных дыр, хотя обнаружить этих прожорливых тварей очень сложно. В сердце Млечного Пути находится сверхмассивная черная дыра — Стрелец А *. Согласно заявлению НАСА, колоссальная структура примерно в 4 миллиона раз превышает массу Солнца и находится примерно в 26 000 световых годах от Земли.
Первое изображение черной дыры было получено в 2019 году в сотрудничестве с телескопом горизонта событий (EHT). Поразительная фотография черной дыры в центре галактики M87, расположенной в 55 миллионах световых лет от Земли, взволновала ученых всего мира.
Ответы на часто задаваемые вопросы о черных дырах от эксперта
Мы задали астрофизику-теоретику Приямваде Натараджану несколько часто задаваемых вопросов о черных дырах.
Заведующие кафедрой астрономии Джозеф С. и София С. Фрутон, профессор астрономии и профессор физики Йельского университета.
Как образуются черные дыры?
Ожидается, что черные дыры образуются по двум различным каналам. Согласно первому пути, они являются трупами звезд, поэтому они образуются, когда умирают массивные звезды. Звезды, масса которых при рождении примерно в 8-10 раз превышает массу нашего Солнца, когда они исчерпывают все свое топливо — водород, — взрываются и умирают, оставляя после себя очень компактный плотный объект, черную дыру.
Оставшаяся в результате черная дыра называется черной дырой звездной массы, и ее масса порядка нескольких масс Солнца.Не все звезды оставляют после себя черные дыры, звезды с меньшей массой при рождении оставляют после себя нейтронную звезду или белого карлика. Другой способ образования черных дыр - это прямой коллапс газа, процесс, который, как ожидается, приведет к образованию более массивных черных дыр с массой, в 1000 раз превышающей массу Солнца, и даже в 100 000 раз превышающей массу Солнца. Этот канал обходит процесс формирования традиционной звезды и, как полагают, действует в ранней Вселенной и порождает более массивные зачатки черных дыр.
Кто открыл черные дыры?
Черные дыры были предсказаны как точное математическое решение уравнений Эйнштейна. Уравнения Эйнштейна описывают форму пространства вокруг материи.
Общая теория относительности связывает геометрию или очертания формы с подробным распределением материи.Решение проблемы черных дыр было найдено Карлом Шварцшильдом в 1915 году, и было обнаружено, что эти области — черные дыры — чрезвычайно искажают пространство и создают прокол в ткани пространства-времени.
В то время было неясно, соответствуют ли они реальным объектам во Вселенной. Со временем, когда были обнаружены другие конечные продукты звездной смерти, а именно нейтронные звезды, видимые как пульсары, стало ясно, что черные дыры реальны и должны существовать. Первой обнаруженной черной дырой был Лебедь-X1.
Умирают ли черные дыры?
Черные дыры сами по себе не умирают, но теоретически предсказано, что в конечном итоге они медленно испаряются в течение чрезвычайно длительного времени.Черные дыры растут за счет скопления материи поблизости, которую притягивает их огромная гравитация.
Хокинг предсказал, что черные дыры также могут излучать энергию и очень медленно сжиматься. Квантовая теория предполагает, что существуют виртуальные частицы, постоянно появляющиеся и исчезающие. Когда это происходит, появляются частица и сопутствующая ей античастица.
Однако они также могут рекомбинировать и снова исчезать. Когда этот процесс происходит вблизи горизонта событий черной дыры, могут происходить странные вещи. Вместо пары частица-античастица, существующей мгновение, а затем аннигилирующей друг с другом, одна из них может попасть под действием силы тяжести в черную дыру, в то время как другая частица может улететь в космос.
В очень длительных временных масштабах, мы говорим о временных масштабах, которые намного, намного превышают возраст нашей Вселенной, теория утверждает, что эта струйка вылетающих частиц приведет к медленному испарению черной дыры.
Являются ли черные дыры червоточинами?
Нет, черные дыры - это не червоточины. Червоточины можно рассматривать как туннели, соединяющие две отдельные точки в пространстве и времени.
Считается, что внутри черных дыр может содержаться червоточина, прокол в пространстве-времени, который может открыть портал в другую точку пространства-времени, потенциально даже в другую вселенную.
Обнаружена первая черная дыра
Альберт Эйнштейн впервые предсказал существование черных дыр в 1916 году с помощью своей общей теории относительности. Термин "черная дыра" был введен много лет спустя, в 1967 году, американским астрономом Джоном Уилером. После десятилетий, когда черные дыры были известны только как теоретические объекты.
Первой из когда-либо обнаруженных черных дыр была Cygnus X-1, расположенная в пределах Млечного Пути в созвездии Лебедя. Астрономы увидели первые признаки черной дыры в 1964 году, когда зондирующая ракета обнаружила небесные источники рентгеновского излучения, согласно НАСА. В 1971 году 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 был оторван от яркой звезды и "поглощен" темным объектом — всепоглощающей черной дырой.
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 сжигает остатки своего топлива, объект может разрушиться или провалиться внутрь себя. Для звезд меньшего размера (масса которых примерно в три раза больше массы Солнца) новое ядро станет нейтронной звездой или белым карликом. Но когда большая 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 таких объектов имеет массу, в три раза превышающую массу Солнца, и достигает диаметра города. Это приводит к созданию сумасшедшего количества гравитационной силы, притягивающей объекты вокруг объекта. Затем звездные черные дыры поглощают пыль и газ из окружающих их галактик, что способствует их росту в размерах.
Сверхмассивные черные дыры — рождение гигантов
Маленькие черные дыры населяют Вселенную, но доминируют их собратья, сверхмассивные черные дыры. Эти огромные черные дыры в миллионы или даже миллиарды раз массивнее Солнца, но примерно того же размера в диаметре. Считается, что такие черные дыры находятся в центре практически каждой галактики, включая Млечный Путь.
Ученые не уверены, как возникают такие большие черные дыры. Как только эти гиганты сформировались, они собирают массу из пыли и газа вокруг себя, материала, которого в изобилии в центрах галактик, позволяя им вырасти до еще более огромных размеров.
Сверхмассивные черные дыры могут быть результатом слияния сотен или тысяч крошечных черных дыр. Причиной также могут быть большие газовые облака, которые сжимаются вместе и быстро наращивают массу. Третий вариант - это коллапс звездного скопления, группы звезд, падающих все вместе. В-четвертых, сверхмассивные черные дыры могут возникать из больших скоплений темной материи. Это вещество, которое мы можем наблюдать благодаря его гравитационному воздействию на другие объекты; однако мы не знаем, из чего состоит темная материя, потому что она не излучает свет и не может быть непосредственно наблюдаема.
Промежуточные черные дыры
Когда-то ученые думали, что черные дыры бывают только малых и больших размеров, но исследования показали возможность существования черных дыр среднего размера (IMBH). Такие тела могут образовываться, когда звезды в скоплении сталкиваются в результате цепной реакции. Несколько таких черных дыр, формирующихся в одном регионе, в конечном итоге могут упасть вместе в центре галактики и создать сверхмассивную черную дыру.
В 2014 году астрономы обнаружили то, что оказалось черной дырой средней массы в рукаве спиральной галактики. А в 2021 году астрономы воспользовались древней гамма-вспышкой, чтобы обнаружить одну из них.
"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 потерянные родственники, которые не заинтересованы в том, чтобы их нашли".
Исследования, проведенные в 2018 году, показали, что эти IMBH могут существовать в сердце карликовых галактик (или очень маленьких галактик). Наблюдения за 10 такими галактиками (пять из которых ранее были неизвестны науке до этого последнего исследования) выявили рентгеновскую активность, обычную для черных дыр, что позволяет предположить наличие черных дыр массой от 36 000 до 316 000 солнечных масс. Информация получена из Sloan Digital Sky Survey, который исследует около 1 миллиона галактик и может обнаружить тип света, часто наблюдаемый исходящий от черных дыр, которые собирают близлежащие обломки.
Бинарные черные дыры: двойная проблема
В 2015 году астрономы с помощью Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) обнаружили гравитационные волны от слияния звездных черных дыр.
"У нас есть дополнительное подтверждение существования черных дыр звездной массы, которые больше 20 масс Солнца - это объекты, о существовании которых мы не знали до того, как LIGO их обнаружила", — сказал в заявлении Дэвид Шумейкер, представитель Научного сотрудничества LIGO (LSC). Наблюдения LIGO также дают представление о направлении вращения черной дыры. Поскольку две черные дыры вращаются по спирали друг вокруг друга, они могут вращаться в одном направлении или в противоположных направлениях.
Существуют две теории о том, как образуются двойные черные дыры. Первая предполагает, что две черные дыры в двойной форме образовались примерно в одно и то же время из двух звезд, которые родились вместе и погибли в результате взрыва примерно в одно и то же время. Звезды-компаньоны имели бы одинаковую ориентацию вращения друг с другом, поэтому две черные дыры, оставшиеся позади, также имели бы такую же ориентацию вращения.
Согласно второй модели, черные дыры в звездном скоплении опускаются к центру скопления и образуют пары. Согласно LIGO Scientific Collaboration, эти спутники имели бы случайную ориентацию спинов по сравнению друг с другом. Наблюдения LIGO за черными дырами-компаньонами с разной ориентацией спинов дают более веские доказательства в пользу этой теории образования.
"Мы начинаем собирать реальную статистику по бинарным системам черных дыр", - сказал ученый LIGO Кейта Кавабе из Калифорнийского технологического института, работающий в обсерватории LIGO Хэнфорд. "Это интересно, потому что некоторые модели формирования двойных черных дыр несколько предпочтительнее других даже сейчас, и в будущем мы сможем еще больше сузить круг поисков".
Факты о черных дырах
- Теория давно предполагает, что если бы вы упали в черную дыру, гравитация растянула бы вас, как спагетти, хотя ваша смерть наступила бы до того, как вы достигли сингулярности. Но исследование 2012 года, опубликованное в журнале Nature, показало, что квантовые эффекты приведут к тому, что горизонт событий будет действовать во многом как стена огня, которая мгновенно сожжет вас до смерти.
- Черные дыры не засасывают. Всасывание вызвано втягиванием чего-либо в вакуум, которым массивная черная дыра определенно не является. Вместо этого объекты падают в них точно так же, как они падают ко всему, что испытывает гравитацию, например, к Земле.
- Первым объектом, который считается черной дырой, является Лебедь X-1. Cygnus X-1 был предметом дружеского пари 1974 года между Стивеном Хокингом и его коллегой-физиком Кипом Торном, причем Хокинг заключил пари, что источником была не черная дыра. В 1990 году Хокинг признал поражение.
- Миниатюрные черные дыры, возможно, образовались сразу после Большого взрыва. Быстро расширяющееся пространство, возможно, сжало некоторые области в крошечные плотные черные дыры, менее массивные, чем Солнце.
- Если звезда пройдет слишком близко к черной дыре, звезду может разорвать на части.
- По оценкам астрономов, в Млечном Пути насчитывается от 10 миллионов до 1 миллиарда звездных черных дыр, масса которых примерно в три раза превышает массу Солнца.
- Черные дыры остаются потрясающим материалом для научно-фантастических книг и фильмов. Посмотрите фильм "Интерстеллар", в котором Торн во многом опирался на научную составляющую. Работа Торна с командой по спецэффектам фильма привела к лучшему пониманию учеными того, как могут выглядеть далекие звезды, если смотреть вблизи быстро вращающейся черной дыры.