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
Все за сегодня
Политика
Экономика
Наука
Война и ВПК
Общество
ИноБлоги
Подкасты
Мультимедиа
Наука
Forbes (США): самый большой миф о черных дырах
Черные дыры — это участки космического пространства, где в маленьком объеме так много массы, что там существует горизонт событий — область пространства, из которой не может выйти ничто, даже свет. Но это не значит, что черные дыры засасывают материю. Они просто ее притягивают.
Черные дыры это едва ли не самые странные и удивительные объекты во Вселенной. Там в очень маленьком объеме сосредоточена огромная масса, и черные дыры неизбежно схлопываются до состояния сингулярности, окруженные горизонтами событий, за пределы которых не может выйти ничто. Это самые плотные объекты во Вселенной. Когда что-то подходит к ним слишком близко, силы черной дыры разрывают это что-то на части. Когда материя, антиматерия или излучение пересекают горизонт событий, они просто падают в центр черной дыры, увеличивая ее и прибавляясь к ее массе.
Эти свойства черных дыр действительно существуют, и все это правда. Но есть одна связанная с этим идея, которая является абсолютной фикцией: что черные дыры засасывают в себя находящуюся вокруг них материю. Это очень далеко от правды, и это полное искажение картины гравитации. Самый большой миф о черных дырах это то, что они засасывают материю. А вот научная истина.
В принципе и в практическом плане черная дыра может сформироваться самыми разными способами. Большая массивная звезда может превратиться в сверхновую, центральное ядро которой схлопывается и образует черную дыру. Можно увидеть, как сливаются две нейтронные звезды, и если они преодолевают определенный порог массы, то в результате появляется новая черная дыра. Либо же огромное скопление материи (сверхмассивная звезда либо гигантское облако сокращающегося газа) коллапсируют и непосредственно превращаются в черную дыру.
При наличии достаточной массы в достаточно сконцентрированном объеме пространства вокруг нее формируется горизонт событий. Находясь за пределами горизонта события, мы можем удалиться от него, если будем двигаться прочь от черной дыры со скоростью света. Но если мы находимся внутри горизонта событий, то даже на скорости света, которая является пределом космической скорости, любая траектория движения все равно приведет нас в центр черной дыры, то есть, в сингулярность. Убежать из черной дыры, находясь внутри горизонта событий, просто невозможно.
Контекст
Cosmos Magazine: новая модель вселенной способна оспорить основы космологии
Scientific American: НАСА отправит к Венере аэростат?
Но и у объектов за пределами черной дыры проблем немало. Черные дыры настолько массивны, что если подобраться к одной из них поближе, мы начнем испытывать значительные приливные силы. Вам могут быть знакомы такие приливные силы, если вы знаете, что такое Луна, и как она взаимодействует с Землей.
Безусловно, Луну и Землю можно рассматривать как материальные точки, удаленные друг от друга на относительно большое расстояние в 380 тысяч километров. Но на самом деле, Земля не точка, а объект, занимающий определенный и вполне реальный объем. Одни участки Земли ближе к Луне, чем другие. Те, что ближе, испытывают силу притяжения больше средней. Те, что дальше, испытывают силу притяжения меньше средней.
Но есть и другие особенности, кроме разницы в расстоянии. Как и все физические объекты, Земля является трехмерной. Это значит, что «верх» и «низ» Земли (если смотреть с Луны) втягиваются вовнутрь, к ее центру относительно тех частей, которые находятся посередине.
При всем при этом, если мы вычтем среднюю силу, существующую в любой точке Земли, то увидим, что разные точки поверхности подвергаются воздействию внешних сил с Луны по-разному. Линии этих сил составляют относительные силы, воздействующие на объект, и объясняют, почему объект под воздействием приливной силы вытягивается по направлению к ней и сжимается перпендикулярно направлению этой силы.
Чем больше мы приближаемся к массивному объекту, тем больше становятся приливные силы. Они увеличиваются даже быстрее, чем сила притяжения! Поскольку черные дыры имеют огромную массу, но при этом очень компактны, они создают самые мощные приливные силы во Вселенной. По этой причине по мере приближения к черной дыре мы все больше вытягиваемся, становясь похожими на тонкие спагетти.
Если исходить из этого, то очень легко понять, почему черная дыра может нас засосать. Чем больше мы к ней приближаемся, тем мощнее становится сила притяжения, и тем сильнее начинает растягивать и разрывать нас приливная сила.
Однако представление о том, что нас может затянуть в черную дыру, является ошибочным. Любая частица, составляющая объект, который находится под воздействием черной дыры, все равно подчиняется известным законам физики, в том числе, правилу искривления пространства-времени из общей теории относительности.
Да, из-за присутствия массы ткань пространства искривляется, а черная дыра является самым большим скоплением массы во Вселенной. Но верно и то, что плотность этой массы никак не влияет на искривление пространства. Если на место Солнца поставить белого карлика, нейтронную звезду или черную дыру с той же массой, сила гравитационного воздействия на Землю не изменится. Пространство вокруг нас искривляет общая масса в целом, а плотность не имеет к этому практически никакого отношения.
Мультимедиа
Завораживающие снимки космоса
С расстояния черная дыра похожа на любую другую массу во Вселенной. Но если приблизиться к ней на минимальное расстояние в несколько радиусов сферы Шварцшильда, то мы начнем замечать отклонения от ньютоновской гравитации. Тем не менее, черная дыра все равно действует просто как центр притяжения, и приближающиеся к ней объекты обращаются по обычной орбите: круг, эллипс, парабола или гипербола с очень хорошим приближением.
Из-за воздействия приливных сил приближающиеся объекты могут растянуться и разорваться на части. А поскольку материя накапливается вокруг черной дыры в форме аккреционного диска, могут возникнуть и дополнительные последствия, такие как магнитные поля, трение и нагревание. Часть материи из-за этого дополнительного воздействия замедлит свое движение и будет проглочена черной дырой, но большая ее часть все равно останется снаружи.
Факт остается фактом: черные дыры ничего не засасывают. Те силы, которыми обладает черная дыра, имеются и у всех прочих обычных объектов (лун, планет, звезд). Так или иначе, все это просто гравитация. Самое большое отличие заключается в том, что черные дыры плотнее большинства объектов, занимают намного меньше объема в космическом пространстве и могут быть гораздо массивнее любого другого объекта. Сатурн спокойно летает по орбите вокруг Солнца, но если вместо Солнца в центре Млечного Пути поставить черную дыру, масса которой в четыре миллиона раз превышает массу нашего светила, то приливные силы сломают Сатурн, превратив его в гигантское кольцо, и он станет составной частью аккреционного диска этой самой черной дыры. А если там будет достаточно трения, нагрева и ускорения в присутствии генерируемых материей гравитационных, электрических и магнитных полей, то со временем он упадет внутрь и будет проглочен.
Это только кажется, что черные дыры поглощают материю, потому что они очень массивны, а приливные силы и материя, скопившаяся вокруг черной дыры, вместе могут разрывать внешние объекты на куски, после чего часть такого объекта под воздействием затягивающей силы окажется внутри аккреционного диска, а со временем и внутри самой черной дыры. Но черная дыра весьма привередлива, и абсолютное большинство той материи, что проходит близко к ней, выплевывается обратно в той или иной форме. И лишь небольшая часть попадает внутрь горизонта событий, заставляя черную дыру постепенно разрастаться.
Если всю массу во Вселенной мы заменим на черную дыру с соответствующей массой, а потом уберем все, что создает трение, скажем, аккреционные диски, то черная дыра будет всасывать внутрь себя очень мало. Частицы будут подвергаться трению только из-за излучения гравитационных волн, проходя через генерируемое черной дырой искривленное пространство-время. По теории Эйнштейна, всасываться внутрь будет только та материя, которая находится внутри и в самом центре стабильной циклической орбиты. Это ничтожно мало в сравнении с тем, что попадает внутрь горизонта событий в нашей физической реальности.
В итоге мы имеем только силу гравитации и искривленное пространство-время, возникающее от присутствия этих масс. Представление о том, что черные дыры всасывают что-то внутрь, это самый большой миф. Они увеличиваются вследствие гравитации, и больше ничего. Но во Вселенной этого больше чем достаточно.
Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ.
Источник