Как выглядит чёрная дыра — и откуда мы это знаем?

Чёрные дыры — одни из самых загадочных объектов во Вселенной. Они будоражат воображение учёных и любителей астрономии, ведь сочетают в себе крайности: огромную массу и абсолютную невидимость. Но как же они выглядят? И можем ли мы вообще «увидеть» то, что по определению не поддаётся наблюдению? Разберёмся в деталях.

Что такое чёрная дыра?

С точки зрения общей теории относительности Эйнштейна, чёрная дыра — не материальный объект, а область пространства-времени, которая настолько искривляет его вокруг себя, что даже свет не может вырваться наружу. Представьте резиновый батут, на который положили тяжёлый металлический шар: он продавливает поверхность, создавая «воронку». Аналогично чёрная дыра «продавливает» пространство-время, заставляя его закручиваться в водоворот.

Ключевой элемент чёрной дыры — горизонт событий — условная сфера, из-под которой свет уже не может выбраться. Это не физическая оболочка, а математическая граница. Всё, что пересекает горизонт событий, исчезает для внешнего наблюдателя навсегда.

Так может выглядеть изображение чёрной дыры в духе снимков проекта Event Horizon Telescope или научно‑популярной визуализации

Можно ли увидеть чёрную дыру?

Прямого ответа на этот вопрос нет — саму чёрную дыру увидеть нельзя, так как она не излучает свет. Однако мы можем наблюдать её «проявления»:

• Аккреционный диск — раскалённое кольцо из газа и пыли, которое образуется вокруг чёрной дыры из-за поглощения ею материи. Диск светится за счёт трения и нагрева вещества до экстремальных температур.
• Тень чёрной дыры — тёмное пятно в центре аккреционного диска, создаваемое гравитационным искривлением света. Именно тень и диск фиксируют телескопы.
• Гравитационное линзирование — искажение света от далёких звёзд и галактик, когда он проходит рядом с чёрной дырой. Это как «линза», через которую мы видим искажённые изображения.
• Излучение и струи плазмы — при поглощении материи чёрная дыра испускает мощные потоки рентгеновского и гамма-излучения.

Фотографии чёрных дыр: как их делают?

На сегодняшний день у учёных есть две «фотографии» сверхмассивных чёрных дыр, сделанные Телескопом горизонта событий (Event Horizon Telescope, EHT):

1. Чёрная дыра в галактике M87

Первое изображение было опубликовано 10 апреля 2019 года. На нём запечатлена сверхмассивная чёрная дыра в центре галактики M87, удалённой от Земли на 55 миллионов световых лет. Масса этого объекта примерно в 6,5 миллиарда раз превышает массу Солнца.

Что видно на снимке:

• Тёмная область в центре — «тень» чёрной дыры, которая соответствует контуру горизонта событий.
• Яркое кольцо вокруг тени — аккреционный диск, состоящий из раскалённого газа и пыли, вращающегося вокруг чёрной дыры. Из-за трения и нагрева вещество в диске испускает излучение в различных диапазонах электромагнитного спектра.
• Искривление света из-за гравитационного линзирования: гравитация чёрной дыры искажает путь фотонов, создавая эффект «кольца».

Первый снимок чёрной дыры.

2. Чёрная дыра Стрелец A* в центре Млечного Пути

Второе изображение было опубликовано 12 мая 2022 года. На нём изображена чёрная дыра Стрелец A*, находящаяся в центре нашей Галактики на расстоянии около 25 000 световых лет от Земли. Её масса примерно в 4 миллиона раз превышает массу Солнца. new-science.ru +1

Особенности снимка:

• Аналогично M87*, здесь также видны тёмная тень и яркое кольцо аккреционного диска.
• Несмотря на то что Стрелец A* значительно меньше M87*, её изображение было получено позже из-за более высокой активности и быстрого движения материи в аккреционном диске. Это усложняло задачу построения единого изображения..

Второй снимок черной дыры.

Как работает EHT?

• объединяет сеть радиотелескопов по всей Земле в один «глобальный телескоп»;
• использует метод интерферометрии для получения сверхвысокого разрешения;
• фиксирует радиоволны, отражённые от материи вокруг чёрной дыры;
• с помощью алгоритмов реконструирует изображение тени и аккреционного диска.

Эти снимки — не фотографии в привычном смысле, а реконструкции на основе радиоданных. Они показывают:

• тёмную центральную область (тень);
• яркое кольцо излучения (аккреционный диск);
• асимметрию в распределении материи (из-за вращения чёрной дыры).

Сеть радиотелескопов, расположенных по всему миру, они работают как единый виртуальный телескоп.

Как учёные подтверждают существование чёрных дыр?

Если мы не видим чёрную дыру напрямую, как учёные убеждаются в её реальности? Существует несколько ключевых доказательств:

1. Эллиптические орбиты звёзд вокруг центра галактики. Например, в центре Млечного Пути звёзды движутся по странным траекториям, как будто вокруг невидимого массивного объекта (с массой в 4 млн масс Солнца).
2. Гравитационное линзирование — искажение света от далёких объектов массивным телом. Учёные фиксируют «дублирование» изображений галактик за чёрной дырой.
3. Рентгеновское и гамма-излучение — мощные всплески энергии, возникающие при падении материи на чёрную дыру. Такие сигналы равномерно распределены по Вселенной.
4. Гравитационные волны — колебания пространства-времени, возникающие при слиянии двух чёрных дыр. Впервые обнаружены в 2015 году (LIGO).

Виды чёрных дыр: форма и структура

Чёрные дыры различаются по размеру и свойствам:

• Звёздные — образуются при коллапсе массивных звёзд, имеют массу в несколько солнечных.
• Сверхмассивные — находятся в центрах галактик, масса может достигать миллиардов солнечных.
• Средние массы — пока малоизученный класс, предположительно образуются в плотных звёздных скоплениях.

По метрике Шварцшильда (для невращающихся чёрных дыр) горизонт событий — идеальная сфера, а в центре — сингулярность (точка бесконечной плотности). Реальные чёрные дыры вращаются, и их структура описывается метрикой Керра: вращение закручивает пространство-время в «вихрь» вокруг себя.

Будущие открытия

Учёные продолжают изучать чёрные дыры с помощью:

• новых поколений радиотелескопов;
• космических обсерваторий (например, для рентгеновских наблюдений);
• гравитационно-волновой астрономии (LIGO, Virgo);
• компьютерного моделирования аккреционных дисков и джетов.

В перспективе возможно:

• наблюдение поляризации света в аккреционном диске;
• изучение влияния чёрных дыр на окружающее пространство-время с высокой точностью;
• поиск свидетельств квантовых эффектов вблизи горизонта событий.

Человечество на пороге новых открытий...

Итоги

Чёрная дыра — не «дыра» в привычном смысле, а искажение пространства-времени с экстремальной гравитацией. Мы не видим её напрямую, но наблюдаем:

• светящийся аккреционный диск;
• тёмную тень в центре;
• искажение света от фоновых объектов;
• всплески излучения и гравитационные волны.

Благодаря современным технологиям мы не только «видим» невидимое, но и углубляем понимание фундаментальных законов Вселенной. Чёрные дыры остаются одной из величайших загадок космоса, разгадка которых открывает новые горизонты для науки!