Рассмотрите загадочные и невидимые черные дыры во Вселенной: интересные факты, исследование Эйнштейна, сверхмассивные и промежуточные типы, теория, строение.
– одни из наиболее интересных и таинственных объектов в космическом пространстве. Обладают высокой плотностью, а гравитационная сила настолько мощная, что даже свету не удается вырваться за ее пределы.
Впервые о черных дырах заговорил Альберт Эйнштейн в 1916 году, когда создал общую теорию относительности. Сам термин возник в 1967 году благодаря Джону Уилеру. А первую черную дыру «заметили» в 1971 году.
Классификация черных дыр включает три типа: черные дыры звездной массы, сверхмассивные и черные дыры средней массы. Обязательно посмотрите видео про черные дыры, чтобы узнать много интересных фактов и познакомиться с этими загадочными космическими формированиями поближе.
Интересные факты о черных дырах
- Если вы оказались внутри черной дыры, то гравитация будет вас растягивать. Но бояться не нужно, ведь вы умрете еще до того, как достигнете сингулярности. Исследования 2012 года предположили, что квантовые эффекты превращают горизонт событий в огненную стену, сделавшую из вас кучку пепла.
- Черные дыры не «всасывают». Этот процесс вызывается вакуумом, которого нет в этом образовании. Так что материал просто падает.
- Первой черной дырой стал Лебедь Х-1, найденный ракетами со счетчиками Гейгера. В 1971 году ученые получили сигнал радиоизлучения от Лебедя Х-1. Этот объект стал предметом спора между Кипом Торном и Стивеном Хокингом. Последний считал, что это не черная дыра. В 1990 году он признал свое поражение.
- Крошечные черные дыры могли появиться сразу после Большого Взрыва. Стремительно вращающееся пространство сжимало некоторые области в плотные дыры, с меньшей массивностью, чем у Солнца.
- Если звезда подойдет слишком близко, то ее может разорвать.
- По общим подсчетам, существует примерно до миллиарда звездных черных дыр с массой втрое больше солнечной.
- Если сравнивать теорию струн и классическую механику, то первая порождает больше разновидностей массивных гигантов.
Опасность черных дыр
Когда у звезды заканчивается топливо, она может запустить процесс саморазрушения. Если ее масса была втрое больше солнечной, то оставшееся ядро станет нейтронной звездой или белым карликом. Но более крупная звезда трансформируется в черную дыру.
Такие объекты маленькие, но обладают невероятной плотностью. Представьте, что перед вами объект, размером в город, но его масса в три раза больше солнечной. Это создает невероятно огромную гравитационную силу, которая притягивает пыль и газ, увеличивая ее размеры. Вы удивитесь, но в может располагаться несколько сотен миллионов звездных черных дыр.
Сверхмассивные черные дыры
Конечно, ничто во Вселенной не сравнится с устрашающими сверхмассивными черными дырами. Они превосходят солнечную массу в миллиарды раз. Полагают, что такие объекты есть практически в каждой галактике. Ученые пока не знают всех тонкостей процесса формирования. Скорее всего, они вырастают за счет накапливания массы из окружающего пыли и газа.
Возможно, они обязаны своим масштабам слиянию тысячи небольших черных дыр. Или же могло разрушиться целое звездное скопление.
Черные дыры в центрах галактик
Астрофизик Ольга Сильченко об открытии сверхмассивной черной дыры в туманности Андромеды, исследованиях Джона Корменди и темных гравитирующих телах:
Природа космических радиоисточников
Астрофизик Анатолий Засов о синхротронном излучении, черных дырах в ядрах далеких галактик и нейтральном газе:
Промежуточные черные дыры
Не так давно ученые нашли новый вид - черные дыры средней массы (промежуточные). Они могут формироваться, когда звезды в скоплении сталкиваются, поддавшись цепной реакции. В итоге, падают в центр и формируют сверхмассивную черную дыру.
В 2014 году астрономы обнаружили промежуточный тип в рукаве спиральной галактики. Их очень сложно найти, потому что могут располагаться в непредсказуемых местах.
Микрочерные дыры
Физик Эдуард Боос о безопасности БАК, рождении микрочерной дыры и понятии мембраны:
Теория черных дыр
Черные дыры - чрезвычайно массивные объекты, но охватывают сравнительно скромный объем пространства. Кроме того, обладают огромной гравитацией, не позволяя объектам (и даже свету) покинуть их территорию. Однако, напрямую увидеть их невозможно. Исследователям приходится обращаться к излучению, появляющемуся, когда черная дыра питается.
Интересно, но бывает так, что вещество, направляющееся к черной дыре, отскакивает от горизонта событий и выбрасывается наружу. При этом формируются яркие струи материала, передвигающиеся на релятивистских скоростях. Эти выбросы можно зафиксировать на больших дистанциях.
– удивительные объекты, в которых сила тяжести настолько огромна, что может сгибать свет, деформировать пространство и искажать время.
В черных дырах можно выделить три слоя: внешний и внутренний горизонт событий и сингулярность.
Горизонт событий черной дыры – граница, где у света пропадают все шансы на бегство. Как только частичка переходит этот рубеж, она не сможет уйти. Внутренняя область, где находится масса черной дыры, называется сингулярностью.
Если мы говорим с позиции классической механики, то ничто не может покинуть черную дыру. Но квантовая вносит свою поправку. Дело в том, что у каждой частицы есть античастица. Они обладают одинаковыми массами, но разным зарядом. Если пересеклись, то могут аннигилировать друг друга.
Когда такая пара возникает за пределами горизонта событий, то одна из них может втянуться, а вторая оттолкнется. Из-за этого горизонт способен уменьшиться, а черная дыра разрушиться. Ученые все еще пытаются изучить этот механизм.
Аккреция
Астрофизик Сергей Попов о сверхмассивных черных дырах, образовании планет и аккреции вещества в ранней Вселенной:
Наиболее известные черные дыры
Часто задаваемые вопросы о черных дырах
Если более емко, то черная дыра - определенный участок в космосе, в котором сконцентрировано такое огромное количество массы, что ни одному объекту не удается избежать гравитационного влияния. Когда речь идет о гравитации, мы полагаемся на общую теорию относительности, предложенную Альбертом Эйнштейном. Чтобы разобраться в деталях изучаемого объекта, будем двигаться поэтапно.
Давайте представим, что вы находитесь на поверхности планеты и подбрасываете булыжник. Если вы не обладаете мощью Халка, то не сможете приложить достаточно силы. Тогда камень поднимется на определенную высоту, но под давлением гравитации рухнет обратно. Если же у вас есть скрытый потенциал зеленого силача, то вы способны придать объекту достаточное ускорение, благодаря которому он полностью покинет зону гравитационного воздействия. Это называется «скорость убегания».
Если разбить на формулу, то эта скорость зависит от планетарной массы. Чем она больше, тем мощнее гравитационный захват. Скорость вылета будет полагаться на то, где именно вы находитесь: чем ближе к центру, тем проще выбраться. Скорость вылета нашей планеты – 11.2 км/с, а вот – 2.4 км/с.
Приближаемся к самому интересному. Допустим у вас есть объект с невероятной концентрацией массы, собранной в крошечном месте. В таком случае скорость убегания превышает скорость света. А мы знаем, что ничто не движется быстрее этого показателя, а значит, никто не сможет преодолеть такую силу и сбежать. Даже световому лучу это не под силу!
Еще в 18 веке Лаплас размышлял над чрезвычайной концентрацией массы. После общей теории относительности Карл Шварцшильд смог найти математическое решение для уравнения теории, чтобы описать подобный объект. Дальше свою лепту внесли Оппенгеймер, Волькофф и Снайдер (1930-е гг.). С того момента люди начали обсуждать эту тему всерьез. Стало ясно: когда у массивной звезды заканчивается топливо, она не способна противостоять силе гравитации и обязана рухнуть в черную дыру.
В теории Эйнштейна гравитация выступает проявлением кривизны в пространстве и времени. Дело в том, что обычные геометрические правила здесь не работают и массивные объекты искажают пространство-время. Черная дыра обладает причудливыми свойствами, поэтому ее искажение видно отчетливее всего. Например, у объекта есть «горизонт событий». Это поверхность сферы, отмечающая черту дыры. То есть, если вы перешагнете этот предел, то назад пути нет.
Если буквально, то это место, где скорость убегания приравнивается к световой. Вне этого места скорость убегания уступает скорости света. Но если ваша ракета способна разогнаться, то энергии хватит на побег.
Сам горизонт довольно странный с точки зрения геометрии. Если вы расположены далеко, то вам покажется, что смотрите на статическую поверхность. Но если подойти ближе, то приходит осознание, что она движется наружу со световой скоростью! Теперь понятно, почему легко войти, но так сложно сбежать. Да, это очень запутанно, ведь фактически горизонт стоит на месте, но одновременно и мчится со скоростью света. Это как в ситуации с Алисой, которой нужно было бежать максимально быстро, чтобы просто остаться на месте.
При попадании в горизонт, пространство и время переживают такое сильное искажение, что координаты начинают описывать роли радиального расстояния и времени переключения. То есть «r», отмечающая дистанцию от центра, становится временной, а за «пространственность» теперь отвечает «t». В итоге, вы не сможете перестать передвигаться с меньшим показателем r, как и не способны в обычном времени попасть в будущее. Вы придете к сингулярности, где r = 0. Можно выбрасывать ракеты, запускать двигатель на максимум, но вам не убежать.
Термин «черная дыра» придумал Джон Арчибальд Уилер. До этого их называли «остывшими звездами».
Физик Эмиль Ахмедов об изучении черных дыр, Карле Шварцшильде и гигантских черных дырах:
Существует два способа вычислить, насколько что-то велико. Можно назвать массу или какую величину занимает участок. Если брать первый критерий, то нет конкретного предела массивности черной дыры. Можно использовать любое количество, если вы способны сжать ее до необходимой плотности.
Большая часть этих образований появилась после смерти массивных звезд, поэтому можно ожидать, что их вес должен быть равнозначен. Типичная масса для такой дыры должна быть в 10 раз больше солнечной – 10 31 кг. Кроме того, в каждой галактике должна проживать центральная сверхмассивная черная дыра, чья масса превосходит солнечную в миллион раз – 10 36 кг.
Чем массивнее объект, тем больше массы охватывает. Радиус горизонта и масса прямо пропорциональны, то есть, если черная дыра весит в 10 раз больше другой, то и ее радиус в 10 раз крупнее. Радиус дыры с солнечной массивностью равняется 3 км, а если в миллион раз больше, то 3 миллиона км. Кажется, что это невероятно массивные вещи. Но не будем забывать, что для астрономии это стандартные понятия. Солнечный радиус достигает 700000 км, а у черной дыры у в 4 раза больше.
Допустим, что вам не повезло и ваш корабль неумолимо движется к сверхмассивной черной дыре. Нет смысла бороться. Вы просто выключили двигатели и идете навстречу неизбежному. Чего ожидать?
Начнем с невесомости. Вы пребываете в свободном падении, поэтому экипаж, корабль и все детали невесомы. Чем ближе подходите к центру отверстия, тем сильнее ощущаются приливные гравитационные силы. Например, ваши ноги ближе к центру, чем голова. Тогда вам начинает казаться, что вас растягивают. В итоге, вас просто разорвет на части.
Эти силы неприметны, пока вы не подойдете на удаленность в 600000 км от центра. Это уже после черты горизонта. Но мы говорим об огромном объекте. Если вы падаете в дыру с солнечной массой, то приливные силы охватили бы вас в 6000 км от центра и разорвали до того, как вы подошли к горизонту (поэтому мы отправляем вас в большую, чтобы смогли умереть уже внутри дыры, а не на подходе).
Что внутри? Не хочется разочаровывать, но ничего примечательного. Некоторые объекты могут искажаться по внешнему виду и больше ничего необычного. Даже после перехода горизонта вы будете видеть вещи вокруг себя, так как они движутся с вами.
Сколько на все это уйдет времени? Все завит от вашей удаленности. Например, вы начали с точки покоя, где сингулярность в 10 раз больше радиуса дыры. Для подхода к горизонту понадобится лишь 8 минут, а затем еще 7 секунд, чтобы войти в сингулярность. Если падаете в маленькую черную дыру, то все произойдет быстрее.
Как только перешагнете горизонт, можете стрелять ракетами, кричать и плакать. На все это у вас 7 секунд, пока не попадете в сингулярность. Но ничего уже не спасет. Поэтому просто насладитесь поездкой.
Допустим, вы обречены и падаете в дыру, а ваш друг/подруга наблюдает за этим издалека. Ну, он увидит все по-другому. Заметит, что ближе к горизонту вы замедлите свой ход. Но даже если человек просидит сотню лет, он так и не дождется, когда вы достигнете горизонта.
Попробуем объяснить. Черная дыра могла появиться из коллапсирующей звезды. Так как материал разрушается, то Кирилл (пусть будет вашим другом) видит его уменьшение, но никогда не заметит подхода к горизонту. Именно поэтому их называли «замороженными звездами», ведь кажется, будто они замерзают с определенным радиусом.
В чем же дело? Назовем это оптической иллюзией. Для формирования дыры не нужна бесконечность, как и для перехода через горизонт. По мере вашего подхода свету требуется больше времени, чтобы добраться к Кириллу. Если точнее, то излучение в реальном времени от вашего перехода зафиксируется у горизонта навечно. Вы уже давно перешагнули за линию, а Кирилл все еще наблюдает световой сигнал.
Или же можно подойти с другой стороны. Время тянется дольше возле горизонта. Например, вы обладаете супермощным кораблем. Вам удалось приблизиться к горизонту, побыть там пару минут и выбраться живым к Кириллу. Кого же вы увидите? Старика! Ведь для вас время текло намного медленнее.
Что тогда верно? Иллюзия или игра времени? Все зависит от используемой системы координат при описании черной дыры. Если полагаться на координаты Шварцшильда, то при пересечении горизонта временная координата (t) приравнивается к бесконечности. Но показатели этой системы предоставляют размытое представление того, что происходит возле самого объекта. У линии горизонта все координаты искажаются (сингулярность). Но вам можно использовать обе системы координат, поэтому два ответа имеют силу.
В реальности вы просто станете невидимкой, и Кирилл перестанет вас видеть еще до того, как пройдет много времени. Не стоит забывать о красном смещении. Вы излучаете наблюдаемый свет на определенной волне, но Кирилл увидит его на более длинной. Волны удлиняются по мере приближения к горизонту. Кроме того, не стоит забывать, что излучение происходит в определенных фотонах.
Например, в момент перехода вы отправите последний фотон. Он достигнет Кирилла в определенное конечное время (примерно час для сверхмассивной черной дыры).
Конечно, нет. Не забывайте про существование горизонта событий. Только из этой области вы не можете выбраться. Достаточно просто не приближаться к ней и чувствуйте себя спокойно. Более того, с безопасного расстояния вам этот объект будет казаться самым обычным.
Информационный парадокс Хокинга
Физик Эмиль Ахмедов о действии гравитации на электромагнитные волны, информационном парадоксе черных дыр и принципе предсказуемости в науке:
Не паникуйте, так как Солнцу никогда не трансформироваться в подобный объект, потому что ему просто не хватит массы. Тем более, что оно будет сохранять свой теперешний внешний вид еще 5 миллиардов лет. Затем перейдет к этапу красного гиганта, поглотив Меркурий, Венеру и хорошо поджарив нашу планету, а затем станет обычным белым карликом.
Но давайте предадимся фантазии. Итак, Солнце стало черной дырой. Начнем с того, что сразу нас укутает темнота и холод. Земля и прочие планеты не будут всасываться в дыру. Они продолжат вращаться вокруг нового объекта по обычным орбитам. Почему? Потому что горизонт будет достигать всего 3 км, и гравитация ничего не сможет с нами сделать.
Да. Естественно, мы не можем полагаться на видимое наблюдение, так как свету не удается вырваться. Но есть косвенные улики. Например, вы видите участок, в котором может быть черная дыра. Как это проверить? Начните с измерения массы. Если видно, что в одной области ее слишком много или она как бы незаметна, то вы на верном пути. Есть две точки поиска: галактический центр и двойные системы с рентгеновским излучением.
Таким образом, в 8 галактиках нашли массивные центральные объекты, чья масса ядер колеблется от миллиона до миллиарда солнечных. Массу вычисляют через наблюдение за скоростью вращения звезд и газа вокруг центра. Чем быстрее, тем больше должна быть масса, чтобы удержать их на орбите.
Эти массивные объекты считают черными дырами по двум причинам. Ну, больше просто нет вариантов. Нет ничего массивнее, темнее и компактнее. К тому же есть теория, что у всех активных и крупных галактиках в центре прячется такой монстр. Но все же это не 100% доказательства.
Но в пользу теории говорят две последних находки. У ближайшей активной галактики заметили систему «водяного мазера» (мощный источник микроволнового излучения) возле ядра. При помощи интерферометра ученые отобразили распределение газовых скоростей. То есть, они измерили скорость в пределах половины светового года в галактическом центре. Это помогло им понять, что внутри расположен массивный объект, чей радиус достигает половины светового года.
Вторая находка убеждает еще больше. Исследователи при помощи рентгена наткнулись на спектральную линию галактического ядра, указывающую на присутствие рядом атомов, скорость движения которых невероятно высокая (1/3 световой). Кроме того, излучение соответствовало красному смещению, что отвечает горизонту черной дыры.
Еще один класс можно найти в Млечном Пути. Это звездные черные дыры, формирующиеся после взрыва сверхновой. Если бы они существовали отдельно, то даже вблизи мы бы вряд ли ее заметили. Но нам везет, ведь большинство существуют в двойных системах. Их легко отыскать, так как черная дыра будет тянуть массу своего соседа и влиять на него гравитацией. «Вырванный» материал формирует аккреционный диск, в котором все нагревается, а значит, создает сильное излучение.
Предположим, вам удалось найти двойную систему. Как понять, что компактный объект представляет собою черную дыру? Снова обращаемся к массе. Для этого измерьте орбитальную скорость соседней звезды. Если масса невероятно огромная при таких малых размерах, то вариантов больше не остается.
Это сложный механизм. Подобную тему Стивен Хокинг затронул еще в 1970-х годах. Он говорил, что черные дыры не совсем «черные». Там присутствуют квантово-механические эффекты, заставляющие ее создавать излучение. Постепенно дыра начинает сжиматься. Скорость излучения растет с уменьшением массы, поэтому дыра излучает все больше и ускоряет процесс сжатия, пока не растворится.
Однако, это лишь теоретическая схема, ведь никто не может точно сказать, что происходит на последнем этапе. Некоторые думают, что остается небольшой, но стабильный след. Современные теории не придумали пока ничего лучше. Но сам процесс невероятен и сложен. Приходится вычислять параметры в искривленном пространстве-времени, а сами результаты не поддаются проверке в привычных условиях.
Здесь можно воспользоваться Законом сохранения энергии, но только для коротких продолжительностей. Вселенная может создавать энергию и массу с нуля, но только они должны быстро исчезать. Одно из проявлений – вакуумные флуктуации. Пары частиц и античастиц вырастают из ниоткуда, существуют определенный недолгий срок и гибнут во взаимном уничтожении. При их появлении энергетический баланс нарушается, но все восстанавливается после исчезновения. Кажется фантастикой, но этот механизм подтвержден экспериментально.
Допустим, одна из вакуумных флуктуаций действует возле горизонта черной дыры. Возможно, одна из частиц падает внутрь, а вторая убегает. Сбежавшая забирает с собою часть энергии дыры и может попасть на глаза наблюдателю. Ему покажется, что темный объект просто выпустил частицу. Но процесс повторяется, и мы видим непрерывный поток излучения из черной дыры.
Мы уже говорили, что Кириллу кажется, будто вам нужна бесконечность, чтобы перешагнуть через линию горизонта. Кроме того, упоминалось, что черные дыры испаряются через конечный временной промежуток. То есть, когда вы достигнете горизонта, дыра исчезнет?
Нет. Когда мы описывали наблюдения Кирилла, мы не говорили о процессе испарения. Но, если этот процесс присутствует, то все меняется. Ваш друг увидит, как вы перелетите через горизонт именно в момент испарения. Почему?
Над Кириллом властвует оптическая иллюзия. Излучаемому свету в горизонте событий нужно много времени, чтобы добраться к другу. Если дыра длится вечно, то свет может идти бесконечно долго, и Кирилл не дождется перехода. Но, если дыра испарилась, то свет уже ничто не остановит, и он доберется к парню в момент взрыва излучения. Но вам уже все равно, ведь вы давно погибли в сингулярности.
В формулах общей теории относительности есть интересная особенность – симметричность во времени. Например, в любом уравнении вы можете представить, что время течет назад и получите другое, но все же правильно, решение. Если применить этот принцип к черным дырам, то рождается белая дыра.
Черная дыра – определенная область, из которой ничто не может выбраться. Но второй вариант, это белая дыра, в которую ничто не может упасть. Фактически, она все отталкивает. Хотя, с математической точки зрения, все выглядит гладко, но это не доказывает их существование в природе. Скорее всего, их нет, как и способа это выяснить.
До этого момента мы говорили о классике черных дыр. Они не вращаются и лишены электрического заряда. А вот в противоположном варианте начинается самое интересное. Например, вы можете попасть внутрь, но избежать сингулярности. Более того, ее «внутренность» способна контактировать с белой дырой. То есть, вы попадете в своеобразный туннель, где черная дыра – вход, а белая – выход. Подобную комбинацию называют червоточиной.
Интересно, что белая дыра может находиться в любом месте, даже в другой Вселенной. Если уметь управлять такими червоточинами, то мы обеспечим быструю транспортировку в любую область пространства. А еще круче – возможность путешествий во времени.
Но не пакуйте рюкзак, пока не узнаете несколько моментов. К сожалению, велика вероятность, что таких формирований нет. Мы уже говорили, что белые дыры – вывод из математических формул, а не реальный и подтвержденный объект. Да и все наблюдаемые черные дыры создают падение материи и не формируют червоточин. И конечная остановка – сингулярность.
Впервые термин «Черная дыра» был использован в 1967 году Джоном А. Уилером. Так называют область в пространстве и времени с настолько большой гравитацией, что покинуть ее пределы не могут даже кванты света. Размер определяют гравитационным радиусом, а границу действия называют горизонтом событий.
Черная дыра в представлении художника
В идеале черная дыра, при условии ее изоляции – это абсолютно черный участок пространства. Как выглядит черная дыра на самом деле, пока не знает никто, известно лишь, что она не оправдывает своего названия, так как она абсолютно невидима. По мнению ученых астрономов, определить ее наличие можно только по свечению в районе горизонта событий. Это происходит по двум причинам:
- В нее попадают частицы вещества, скорость которых по мере приближения к точке невозврата, понижается. Они создают картинку диффузного газопылевого облака, с увеличивающейся внутри плотностью.
- Кванты света, проходя рядом с черной дырой, изменяют свою траекторию. Это искажение иногда настолько велико, что свет несколько раз огибает ее, прежде чем попасть внутрь. Так образуется световое кольцо.
По предположениям астрономов, всепоглощающая звезда вовсе не бесформенна, а похожа на полумесяц. Это происходит потому, что сторона, обращенная к наблюдателю, по особым космическим причинам, всегда ярче другой стороны. Темный круг, находящийся в центре полумесяца и есть черная дыра.
Возникновение
Существует два сценария возникновения: сильное сжатие массивной звезды, сжатие центра галактики или ее газа. Есть также гипотезы, что они сформировались после Большого Взрыва или возникли в результате возникновения огромного количества энергии в ядерной реакции.
Виды
Джет в галактике M87 — проявление активности сверхмассивной черной дыры в ядре галактики
Различают несколько основных видов: Сверхмассивные – очень разросшиеся, часто находятся в центре галактик; Первичные – предполагается, что они могли появиться при больших отклонениях в однородности гравитационного поля и плотности при появлении Вселенной; Квантовые – гипотетически возникают при ядерных реакциях и имеют микроскопические размеры.
Жизнь черной дыры не вечна
По предположению С. Хокинга она ограничена примерно 10 в 60 степени годами. Дыра постепенно «худеет» и оставляет после себя только элементарные частицы.
Есть предположение, что существует и антипод – белая дыра. Если в первую все входит и не выходит, то во вторую попасть невозможно – она только выпускает. Согласно этой теории, белая дыра возникает на короткое время и распадается, выплеснув энергию и вещество. Вполне серьезные ученые полагают, что таким образом создается некоторый тоннель, с помощью которого можно перемещаться на колоссальные расстояния.
Научно-популярный фильм о черных дырах
В среду ночью 120 астрономов из 8 обсерваторий на четырех континентах начали первую попытку сделать фотографию черной дыры. Съёмка началась 5 апреля и продлится до 14 апреля этого года. Объектом наблюдения стали окрестности двух сверхмассивных черных дыры, одна в центре нашего Млечного Пути, другая в соседней галактике Messier 87. Первая близко, но маленькая в диаметре, вторая очень далеко, но громадная. Чью лучше разглядят - пока вопрос. Ближайшая к нам Стрелец A* (Sagittarius A*) находится в центре нашей галактики Млечного Пути на расстояние в 26 тысяч световых лет. Дальняя в 6 миллиардов раз больше массы нашего светила, поэтому горизонт событий вокруг неё больше. Стрелец А* массой в 1,5 тысячи раз меньше и умещается в пространстве, меньшем, чем объем внутри орбиты Меркурия.
В чем важность наблюдения объясняет Гопал Нараянан, профессор-исследователь астрономии в Университете Массачусетса в Амхерсте: «В основе общей теории относительности Эйнштейна лежит представление о том, что квантовая механика и общая теория относительности могут быть объединены, что существует великая, единая теория фундаментальных понятий. Горизонт событий черной дыры - именно то место, где это возможное объединение лучше всего изучать". Результаты мы узнаем только в 2018 году, когда компьютеры обработают полученные данные. В конце поста есть предполагаемое изображение, которое мы должны увидеть, если верна теория Энштейна.
Для наблюдения за горизонтами событий из разрозненных радиотелескопов, рассматривающих каждый свой участок неба, астрономы создали виртуальный радиотелескоп размером с Землю. 8 обсерваторий в 6 территориальных точках ведут съемку. 
В проекте участвуют Обсерватория Массачусетского технологического института (ведущая организация), Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики, Объединенная обсерватория ALMA (Чили), Национальная радиоастрономическая обсерватория (NRAO), Институт радиоастрономии им. Макса Планка (Германия), Университет Консепсьона (Чили), Институт астрономии и астрофизики при Центральной академии Тайваня (ASIAA, Тайвань), Национальная астрономическая обсерватория Японии (NAOJ) и Обсерватория Онсала (Швеция). Объединение радиотелескопов важно для наблюдения быстротекущих процессов во Вселенной, к которым относятся, например, взрывы сверхновых звезд и потоки космического излучения, а также для детальных изучений мелких удаленных космических объектов, таких, как черная дыра Стрелец A*. Возможности наиболее мощных оптических телескопов ограничены при наблюдении даже самых массивных объектов, а черные дыры являются чрезвычайно компактными.
Связывая воедино мощности радиотелескопов, расположенных в разных частях земного шара, ученые астрономы получили возможность рассмотреть крайне далекие космические объекты с четкостью, в два миллиона раз превышающей остроту человеческого зрения. Будь у человека такое зрение он бы увидел лежащие на Луне грейпфрут или компакт-диск.
К запуску этого «виртуального» телескопа под названием Event Horizon Telescope привело развитие технологий интерферометрии с длинной базой (Very Long Baseline Interferometry, VLBI) в течение последних двадцати лет. По этой же модели работает крупнейший миллиметровый радиотелескоп мира – обсерватория Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) на высокогорном плато Чахнантор в Чили и он тоже участвует в проекте. В проекте EHT с 5 по 14 апреля VLBI-технология превращает все подключенные к ней телескопы в огромный телескоп, размером с нашу планету. Были объединены мощности самых чувствительных радио-обсерваторий мира в Чили, Испании, Калифорнии, Аризоне, на Гавайских островах и на южном полюсе Земли. Крупнейшая из них - вышеупомянутая ALMA, - состоит из 54 параболических антенн 12-метрового диаметра и 12 тарелок диаметром 7 метров.
Еще одна интригующая идея, которую можно изучить в этом эксперименте, - это так называемый «информационный парадокс». Это явление - предсказание Стивена Хокинга о том, что материя, попавшая в черную дыру, не может быть потеряна за пределами известной вселенной, что она должна каким-то образом течь обратно. Вот увидеть как она течет и хотят астрономы. Энергия или информация покидающая чёрную дыру посредством излучения Хокинга, представляет собой квантовый эффект. Ученые регулярно видят истечение больших плазменных струй из центра галактик, где предполагаются или есть черные дыры. Если связь черных дыр и этих струй есть (либо другие утечки информации и энергии), то истинные горизонты событий в строгом смысле у сколлапсировавших объектов в нашей Вселенной не формируются.
Прав ли Эйнштейн
Увидеть саму черную дыру нельзя, а вот падающее в нее вещество - можно. Пыль, газ и ближайшие звезды создают вокруг черных дыр область высоких энергий, или так называемый, аккреционный диск , в котором материя сжимается и закручивается, как в воронке, и разогревается. Благодаря высоким энергиям вещество начинает ярко светиться поблизости от «горизонта событий» - рубежа, после которого черная дыра никакого излучения и информации от себя не отпускает. Таким образом мы видим изображение «поедаемой» черной дырой материи, некую тень черной дыры.Современная стандартная космологическая модель ΛCDM («Лямбда-СиДиЭм») предполагает, что общая теория относительности является правильной теорией гравитации на космологических масштабах и наше местоположение во Вселенной никак особенно не выделяется, то есть на достаточно большом масштабе Вселенная выглядит одинаково во всех направлениях (изотропность) и из каждого места (однородность). Это тоже может быть подтверждено или опровергнуто.
Черные дыры объединяют в себе свойства, описываемые двумя основными физическими теориями нашего времени – теорией общей относительности (теория больших структур) и квантовой механикой (теория малых расстояний). Огромная масса черной дыры требует применения общей теории относительности для описания искривления пространства-времени, вызванного ею. Но малые размеры черной дыры и внутренние процессы требуют использования квантовой механики. До сих пор не удалось совместить обе эти теории. Объединение теорий приводит к неестественным уравнениям – например, из них следует бесконечная плотность черной дыры. Ранее в 2015 году телескоп Event Horizon Telescope (EHT) уже измерил магнитные поля в окрестностях этой черной дыры, но их структура была крайне необычной – сила магнитного поля в отдельных регионах диска менялась каждые 15 минут, а его конфигурация была очень разной в разных уголках.
Согласно некоторым выкладкам общей теории относительности Альберта Эйнштейна, на снимках мы сможем увидеть «полумесяц» света, окружающего абсолютно черную «каплю». Этот свет излучается материей прямо перед тем моментом, когда она пройдет через границу горизонта событий черной дыры. На горизонте событий Стрельца А* ученые предполагают увидеть множество вспышек. Эти точечные вспышки периодически генерируются там с высокой частотой - раз в день. На основе прошлых наблюдений несколько обсерваторий наблюдали нечто похожее на вспышки - осветление выбросов из Стрельца А*. В результате нынешних исследований астрономы получат возможность отслеживать их происхождение и смотреть за процессом их уменьшения.
При удачном развитии событий горячие точки станут маркером структуры временного пространства в этой сильной гравитационной области. «Это открывает двери к возможности проведения томографии временного пространства - эти пятна передвигаются, они возникают в различных областях наблюдения», - сказал ранее на презентации EHT Эвери Бродерик, доцент кафедры физики и астрономии в Университете Ватерлоо. «Во вселенной есть только два места, где можно изучить сильную гравитацию в больших, очень больших масштабах и вокруг компактных объектов», - напоминает он.
Если мы увидим нечто, в корне отличающееся от того, что мы ожидаем, физикам придется пересмотреть, к примеру, теорию гравитации.
Первые снимки черной дыры, которые сможем увидеть и мы с вами, появятся не раньше 2018 года. А тем временем, посмотрим на то, что мы сможем приблизительно увидеть на этих снимках, построенных в результате компьютерного моделирования.
Объединение данных и создание общей картины с использованием измерений телескопа горизонта событий является некорректной задачей, потому что каждый из результатов содержит бесконечное количество возможных изображений, объясняющих полученные данные. Задача астрономов состоит в том, чтобы найти объяснение, которое учитывает эти предварительные предположения, при этом удовлетворяя наблюдаемым данным. Угловое разрешение телескопа, необходимое для получения достаточного объема данных, требует преодоления многих проблем и затрудняют однозначную реконструкцию изображения. Например, при наблюдаемых длинах волн быстро изменяющиеся неоднородности в атмосфере вносят погрешности измерения. Надежные алгоритмы, которые способны восстанавливать изображения в режиме тонкого углового разрешения, ищутся постоянно.
Пока что задачу очистки, интерпретации и сведения полученных данных в одно изображение с высокой разрешающей способностью выполняет алгоритм CHIRP (Continuous High-resolution Image Reconstruction using Patch priors), разработанный группой ученых из Массачусетского технологического института. Однако если вы достаточно разбираетесь в физике и математике, то авторы CHIRP опубликовали для таких эрудитов простые онлайн-инструменты на сайте MIT , при помощи которых любой человек, обладающий навыками программирования, сможет создать и опробовать свой вариант алгоритма обработки данных от телескопа Event Horizon. Вдруг вы сможете увидеть проблему под совершенно нетрадиционным углом и предложить уникальный метод ее решения. Я правда не нашел информации о вознаграждении. Но может плохо искал.
В комплекте инструментов:
- Набор объединенных обучающих данных
- Набор измерений реальных данных
- Стандартизованный набор данных для тестирования алгоритмов восстановления изображений
- Интерактивная количественная оценка эффективности алгоритма на моделируемых тестовых данных
- Качественное сравнение производительности алгоритма при реконструкции реальных данных
- Онлайн-форма стенд для моделирования реалистичных данные, с использованием собственных параметров изображения и телескопа
Теги:
- черная дыра
- радиотелескоп
- вселенная
Малене Соммер Кристиансен (Malene Sommer Christiansen)
Международная команда ученых, в которую, скорее всего, войдут и датчане, намерена сфотографировать черную дыру, чтобы увидеть, как она выглядит. Раньше не делалось ничего подобного.
Если удастся получить изображения черной дыры, мы приблизимся к пониманию природы этого загадочного явления, объясняет Уффе Грое Йоргенсен (Uffe Gråe Jørgensen) из Института Нилься Бора при Копенгагенском университете, который в настоящее время работает над включением Дании в проект.
«По-моему, это крайне интересно. Всегда здорово получить возможность проверить какие-то теории, а сейчас речь идет об исключительных теориях в связи с поведением света и материи в экстремальных условиях черной дыры», - говорит Уффе Грое Йоргенсен, преподаватель кафедры астрофизики и планетарных исследований.
Снимки черных дыр могут открыть новое поле исследований
Сфотографировать черную дыру - непростая задача. Для этого требуются правильные условия, так что ученые намерены воспользоваться новым Гренландским телескопом, который разместят на ледяном щите Гренландии.
Если удастся получить фотографии черной дыры, они могут открыть совершенно новое поле исследований, подтверждает не участвующий в проекте профессор Ульрик Ингерслев Уггерхёй (Ulrik Ingerslev Uggerhøj) из Института физики и астрономии при университете Орхуса.
«Это положит начало так называемой физике сильных полей под воздействием силы тяжести. Откроется новая область, напоминающая наблюдения за гравитационными волнами, о которых объявили в феврале. Если получится сделать снимок черной дыры, это будет такой же прорыв, как гравитационные волны», - комментирует профессор.
Ученые помогли смоделировать черную дыру в «Интерстелларе»
До сих пор черные дыры наблюдали лишь через оптические телескопы , которые не давали возможности изучить их структуру. В этих телескопах черные дыры выглядят как темное пятно. Так что все, что прежде удавалось увидеть, - это материя, поглощаемая дырой.
Новые субмиллиметровые телескопы имеют настолько высокое разрешение, что позволяют разглядеть структуру черных дыр, поясняет Уффе Грое Йоргенсен.
Субмиллиметровый телескоп имеет длину волны меньше одного миллиметра. Он представляет собой нечто среднее между оптическим и радиотелескопом. Субмиллимитровый телескоп различает более длинные волны, чем у обычного инфракрасного излучения, но не настолько длинные, как у радиоизлучения.
До сих пор было невозможно увидеть содержимое черных дыр, так что ученые выдвигают различные теории. Увидеть, как наука представляет себе черные дыры, можно в фильме «Интерстеллар» (Interstellar).
«Это прекрасная анимация, не имеющая аналогов. В создании фильма участвовали выдающиеся ученые-специалисты по проблеме черных дыр, так что в их интересах было создать корректную картину. Вероятно, все выглядит именно так, как в фильме», - говорит Уффе Грое Йоргенсен.
Гренландский телескоп будут использовать одновременно с другими
Чтобы сфотографировать черную дыру, Гренландский телескоп объединят с телескопами в Чили и на Гавайях. Одновременно все три телескопа будут функционировать как один большой аппарат, «диаметр» которого соответствует расстоянию между ними, то есть составит несколько тысяч километров.
Так что выбор телескопа на территории Гренландии не случаен, объясняет ученый.
«Объект, на который они нацелятся, должен одновременно наблюдаться из трех разных мест, удаленных друг от друга на максимально возможное расстояние. Нельзя использовать телескопы и в восточном, и в западном полушариях, потому что тогда не получится наблюдать точку на небе в одно и то же время».
Телескоп разместят на льду
В настоящее время Гренландский телескоп находится на борту корабля, следующего из США в Каанаак на севере Гренландии. Корабль прибудет на место в течение лета, после чего телескоп соберут и установят на высшей точке поверхности гренландского ледника, где наблюдаются идеальные погодные и климатические условия.
«Гренландский телескоп будет помещен на высоту более трех километров. Многие думают, что там, где есть лед, много воды и, следовательно, высокая влажность. Возможно, это представление связано с тем, что у нас в Дании исключительно влажные зимы с температурой в районе нуля градусов и мокрым снегом. В действительности, при температуре −30 градусов очень сухо, потому что вся вода конденсируется и превращается в снег. Так что эта вершина - отличное место, она расположена на большой высоте, и там очень сухо».
Изображения черных дыр появятся лишь через несколько лет
Гренландский телескоп будет введен в строй не раньше 2017 года, но когда это произойдет, мы надеемся узнать много нового о черных дырах, говорит преподаватель из Копенгагена.
«Нам мало что известно о черных дырах, и мы будем над этим работать. Каково их гравитационное поле? Что происходит с материей, когда ее затягивает в черную дыру? Один из интереснейших вопросов - это могут ли большие черные дыры в центре галактик быть путем в другие вселенные либо в другие точки времени-пространства. Вот об этом мы хотим узнать что-нибудь новое. Мы не собираемся прямо завтра начать полеты через черные дыры, смысл не в этом. Но в долгосрочной перспективе наша работа даст много новой информации, которая может привести туда, где мы еще не бывали».
Гренландский телескоп - не единственный, который датские ученые используют для наблюдения за черными дырами. Он лишь часть проекта под названием Event Horizon Telescope, объединяющего девять телескопов, каждый из которых выполняет одни и те же задачи.
Неважно, какому из них выпадет честь сделать первые снимки черной дыры. Но, как сообщает профессор Ульрик Ингерслев Уггерхёй, окончательный выбор будет сделан в ближайшее время.
«Вопрос лишь в том, сколько нам придется ждать, но, по моему мнению, велики шансы, что мы увидим снимок в ближайшие пять лет».
Проект вдохновит молодых гренландцев
Наблюдение за черными дырами - не единственная цель проекта, продолжает Уффе Грое Йоргенсен.
«Это не просто большой научный проект, но и прекрасная возможность попытаться повлиять на гренландское общество, пробудить интерес местной молодежи к науке, вдохновить Гренландию на развитие высоких технологий. Это очень важная задача».
Аллан Финних (Allan Finnich), координатор научных исследований в сфере здравоохранения Среднегренландской гимназии, тоже считает, что необходимо стимулировать интерес гренландцев к естественнонаучным дисциплинам.
«Во многом необходимо повышать естественнонаучный интерес. Гренландии нужны ученые в этой области, а их не очень много. Сейчас нет возможности получать такое образование в Гренландии, надо ехать в Данию, что тоже является помехой».
Когда устанавливают телескоп, 10 % времени наблюдения, как правило, предоставляют ученым принимающей стороны. Ученые рассчитывают, что студенты гренландских гимназий тоже получат такую возможность. Но наладить сотрудничество непросто, и пока еще не ясно, что именно проект принесет Гренландии.
Учитель гимназии: нужно больше естественных наук
Если гренландским ученикам разрешат воспользоваться телескопом, интерес, несомненно, будет очень велик, считает научный координатор в сфере естественных наук Матиас Росдаль Йенсен (Mathias Rosdal Jensen).
«Думаю, это было бы очень интересно ученикам, ведь речь идет о собственном продукте Гренландии. Сейчас в стране множество датских или связанных с Данией обучающих материалов».
Уффе Грое Йоргенсен надеется, что телескоп станет источником вдохновения для молодых гренландцев.
«Прекрасная цель проекта с телескопом - развивать интерес и привлекать больше молодежи в сферу естественных наук».
Наука
Астрономы впервые опубликовали гипотетические изображения черной дыры и сообщили, что, по их представлениям, этот загадочный космический объект должен выглядеть именно так. Однако следует признать, что никто из них никогда не сможет проверить свою теорию на практике.
Черные дыры в визуальном смысле не оправдывают в полной мере свое название - эти объекты на самом деле невидимы , так как даже свет, попавший в них, не может избежать их гравитационного поля.
Однако ученые полагают, что границы черной дыры, то есть точка невозврата, которая называется горизонт событий , должна быть видимой из-за радиации, излучаемой материалом, который поглощается.
На 221-й встрече Американского Астрономического Общества ученые из Университета Калифорнии в Беркли представили изображение, сделанное с помощью компьютера, сообщив, что именно так должна выглядеть черная дыра :
Черная дыра Млечного пути (фото)
Изображение черной дыры Млечного пути, представленное Айманом Бином Камруддином из Калифорнийского Университета
Как видно на картинке, реальная черная дыра с границами имеет форму полумесяца , а вовсе не бесформенного объекта или просто черного шара, как многие изображали ее ранее.
Окружающая черную дыру среда имеет довольно интересную физику и излучает свечение , сказали астрономы. Технически мы не видим саму черную дыру, но можем представить, как выглядит горизонт событий.
Это изображение не просто догадки астрономов и их богатое воображение. Картинку создали на основе модели, которую ученые используют для интерпретации изображений, созданных с помощью нового оборудования , которое сегодня находится в процессе разработки.
Представления художников о черной дыре обычно весьма примитивны
Новый проект под названием Телескоп "Горизонт Событий" будет собирать данные по всемирной сети, полученные радио телескопами из разных уголков света , чтобы затем можно было изобразить объекты, которые являются слишком крошечными, чтобы их можно было увидеть, или вообще не доступны глазу человека.
Новый телескоп уже сделал ряд предварительных измерений и собрал первые данные относительно черной дыры в центре нашей галактики Млечного пути, известной как Стрелец A .
Исследователи проверили полученные данные с помощью разных моделей и пришли к выводу, что черная дыра, вернее, то, что ее окружает, имеет форму полумесяца, а не чего-то другого. Это форма отражает "пончикообразный" диск из материала , который вращается вокруг черной дыры и в одном месте засасывается в нее.
Газ вращается вокруг черной дыры, а сторона, которая направлена в сторону наблюдателей с Земли, будет казаться ярче с силу особых космических процессов. Другая сторона при этом будет более темной . В центре полумесяца находится темный круг, который представляет собой саму черную дыру.
Центр Млечного пути с черной дырой Стрелец А. Снимок сделан с помощью космического телескопа "Чандра" НАСА
Первые изображения черной дыры Стрельца А, по мнению астрономов, помогут им определить массу этого объекта , который находится в центре нашей галактики, а также проверить некоторые аспекты общей теории относительности, которые остаются под сомнением.
Другие уникальные изображения космических объектов и черных дыр
Многие космические объекты с помощью современной техники можно заснять на фото . Эти снимки и изображения представляют большую ценность для астрономов, которые с их помощью делают многие открытие. Предлагаем вам познакомиться с самыми любопытными снимками , сделанными с помощью телескопов за последние пару десятков лет.
Астрономы опубликовали снимки очень далеких уголков космоса, сделанные с помощью космического телескопа НАСА "Спицер" . На снимках изображены очень далекие объекты , в том числе супермассивные черные дыры, вернее не сами дыры, а окружающий их материал.
Рентгеновское излучение, исходящее из нагретого материала, падающего в черную дыру
Следы черной дыры во Вселенной
Яркий "зигзаг" справа - вовсе не работа художника-авангардиста, а подпись супермассивной черной дыры в центре галактики М84 , полученная с помощью спектрографа космического телескопа. Эта подпись представляет собой движение газа, пойманного гравитационными силами черной дыры . Слева показано изображение центра галактики, где предположительно "обитает" черная дыра.
Ядро галактики М84, снятое космическим телескопом НАСА "Хаббл"
Черная дыра в космосе
Гравитационные силы предполагаемой черной дыры образуют диск, похожий на тарелку для игры во фрисби , который состоит из холодного газа и находится в центре галактики. Позже наблюдения с помощью "Хаббла" подтвердили существование огромных черных дыр, которые поглощают все вокруг, даже свет.
Кольцо вокруг предполагаемой черной дыры галактики NGC 4261
Звездное скопление с черной дырой
На этом снимке видно звездное скопление G1, крупный шар из света, который состоит из не менее 300 тысяч старых звезд . Этот объект также часто называют скоплением Андромеды , так как оно находится в галактике Андромеда , ближайшей спиральной галактике от Млечного пути.
Шаровое звездное скопление в соседней галактике. Снимок сделан с помощью космического телескопа "Хаббл" в 1996 году
Большая черная дыра
Гигантская черная дыра может "выпускать" огромные пузыри горячего газа в космическое пространство. По крайней мере, такое странное свойство замечено у черной дыры в центре галактики NGC 4438 . Эта галактика относится к группе пекулярных галактик , то есть галактик, имеющих неправильную форму. Она расположена в районе созвездия Девы и находится в 50 миллионах лет от нас . Пузыри на самом деле представляют собой диск из материала, поглощаемого черной дырой.
Черная дыра, "надувающая" невероятно горячие пузыри газа, которые являются следствием больших аппетитов черной дыры. Пузырь имеет диаметр около 800 световых лет
Эллиптическая галактика с массивной черной дырой
Этот снимок изображает центральную часть эллиптической галактики М87 с сопутствующей ей струей. Увеличение яркости галактики к центру, что можно заметить на изображении, говорит о том, что звезды сконцентрированы в районе ядра и удерживаются там гравитационным полем массивной черной дыры. Плазменная струя, которую также видно на снимке и источником которой является горячий газовый диск вокруг черной дыры, имеет длину около 5 тысяч световых лет .
Фото телескопа НАСА, сделанное 1 июня 1991 года, на котором изображен центр галактики М87 со струей
Звездное скопление с умирающей звездой
Расположенное на расстоянии около 40 тысяч световых лет от Земли в районе созвездия Пегас скопление М15 является одним из 150 известных шаровых звездных скоплений, которые образуют гигантские светящиеся кольца и окружают нашу галактику Млечный путь. Все эти скопления содержат сотни тысяч древних звезд. Если бы мы жили где-то в центре этого скопления, наше небо сияло бы тысячами звезд , которые горели бы и днем, и ночью.
Звездное скопление М15 с умирающей звездой в центре. Снимок телескопа "Хаббл", который показывает скопление в реальных цветах
