Три стыдных вопроса о фотографии черной дыры

[править] Как оно образуется

В природе

При издыхании массивной (более 2,5 солнечных масс) звезды, когда иссякает энергия термоядерного синтеза, а масса остаётся, звезда превращается в такую чёрную дыру. Считается, что Солнце не осилит — масса маловата. Гравитационное сжатие звезды уравновешивается газовым давлением, а также давлением света, излучаемого ее внутренними слоями. После прекращения горения водорода ядро звезды остывает, и это внутреннее давление пропадает, что приводит к сжатию ядра гравитационными силами и, следовательно, новому разогреву; это позволяет включить реакции трансмутации гелия в бериллий, бериллия в углерод и так далее до железа. После прекращения энергетически выгодных реакций ядро звезды вновь остывает и, теряя устойчивость, коллапсирует под давлением внешних и внутренних слоёв газа.

Если масса ядра звезды меньше 1,4 масс Солнца, то звезда переходит в состояние, в первом приближении похожее на металлическое, а давление вышележащих слоёв уравновешивается давлением вырожденного электронного газа — звезда становится белым карликом; внешние же слои газа рассеиваются. Ежели масса ядра звезды больше предела Чандрасекара, то электронный газ физически становится неспособным удержать звезду от сжатия, и она коллапсирует до другой точки равновесия, превращаясь в нейтронную звезду, фактически представляющую собой одно сплошное гигантское «жидкое» атомное ядро, которое в поперечнике размером с Тулу, а весит как полтора Солнца. Но перед этим как ебанёт! Вообще, в подобных условиях образуются много разных штук, вроде пульсаров и сверхновых, но они не разрекламированы быдлокультурой и не столь эпичны, поэтому и говорить о них здесь не будем.

Есть мнение, что в центрах многих (или даже всех — ну, по крайней мере, спиральных) галактик есть сверхмассивные черные дыры с массами от сотен тысяч до миллиардов солнечных. И в нашей тоже. Так что всякое может произойти! Не веришь, битард? Допустим, к нам приближается M31. А ещё M87 может плюнуть в нас релятивистской струёй. Ну и не стоит забывать, что за галактический год (200—250 млн земных лет) Солнце может повстречать очень много представителей сабжа, и не только их.

В лаборатории

Чисто теоретически, ещё присутствуют такие понятия, как «белая дыра» и «серая дыра». Есть теория, что всё вещество, попадающее в черную дыру в нашей вселенной, вываливается пачками в другую (например, параллельную) или опять в нашу, и тот объект, который всё это там вываливает — и является белой дырой (собсно, название «чёрная дыра» дано сабжу потому, что по теории даже свет не может оттуда выбраться, и его не видно, а «белой дырой» может называться объект, в который вообще попасть нихуя не может — а только вываливается). Эдакий пищеварительный тракт, всё как у людей, те же рот и жопа. Однако у нас во Вселенной белых дыр ещё видеть не видывали, но это может быть из-за всего что угодно. Возможно, потому, что белые дыры нарушают принцип причинности. Или потому, что строение нашей вселенной позволяет только проёбывать все в черную дыру и ничего не высерать из белой. Или, к примеру, потому, что ТБВ — как раз и есть та дыра, из которой и получилась наша Вселенная. Серая же дыра — это фактически нейтронная звезда, которая вот-вот собирается поделить себя на ноль, поэтому и наблюдается астрономами как сабж, хотя таковым де-факто и не является.

Спутники

AOBA-VELOX 4

12.01.2019 | Космические аппараты (спутники) Японии

AOBA-VELOX 4 – это совместная сингапурская и японская наноспутниковая миссия для демонстрации технологии по наблюдению за лунным горизонтом.

OrigamiSat 1

12.01.2019 | Космические аппараты (спутники) Японии

OrigamiSat 1 — 3U CubeSat, разработанный в Токийском технологическом институте (TITech) для демонстрации современной мембранной космической структуры на орбите.

NEXUS

08.01.2019 | Космические аппараты (спутники) Японии

NEXUS (NExt Generation X Unique Satellite) — представляет собой 1U CubeSat для демонстрации любительской спутниковой связи нового поколения.

Hodoyoshi 2 / RISESat

08.01.2019 | Космические аппараты (спутники) Японии

Hodoyoshi 2 / RISESat (Rapid International Scientific Experiment Satellite) — небольшой японский спутник для наблюдения Земли, а также тестирования ряда…

ALE 1, 2

08.01.2019 | Космические аппараты (спутники) Японии

ALE 1 (Astro Live Experiences 1) — это небольшой демонстрационный спутник японской компании Astro Live Experiences. На орбите ALE 1…

RAPIS 1

08.01.2019 | Космические аппараты (спутники) Японии

RAPIS 1 (Rapid Innovative Payload Demonstration Satellite 1) – небольшой японский спутник, предназначенный для тестирования новых технологий в космосе.

Что мы видим на изображении чёрной дыры?

Как уже отмечалось, саму чёрную дыру увидеть нельзя, она практически не излучает. Но если её окружает светящееся вещество, то должна наблюдаться картина в виде светящегося кольца с тёмной областью в центре, которую называют тенью чёрной дыры. Название неудачное, поскольку тёмная область — не тень. Скорее, надо говорить о силуэте чёрной дыры. Правда, размер этого силуэта примерно в 2,6 раза больше размера горизонта событий. Вид силуэта определяется сильной гравитацией чёрной дыры. Разберёмся с этим подробнее.

Гравитация чёрной дыры не отпускает от неё свет. Однако на расстоянии 1,5R_S существуют орбиты, по которым свет может двигаться вокруг чёрной дыры по окружности. Все пойманные в своеобразную ловушку фотоны образуют так называемую фотонную сферу. Эти орбиты неустойчивы. Фотоны, приблизившиеся к чёрной дыре, поглощаются ею, а удалившиеся от неё — убегают в космос. Благодаря последним наблюдатель со стороны может увидеть в области тени узкое светящееся кольцо, соответствующее фотонной сфере. Правда, пока изображение получено с недостаточным разрешением, и рассмотреть на нём это кольцо невозможно.

У чёрной дыры в центре галактики M87 излучающий аккреционный диск располагается под небольшим углом к плоскости, перпендикулярной направлению на Землю. В этом случае на полученном изображении как раз и будет видно светящееся кольцо с тёмной тенью в центре, но каким будет её радиус?

Чтобы разобраться, проще рассмотреть обратный процесс: будем обстреливать чёрную дыру фотонами. Прохождение фотона мимо чёрной дыры можно охарактеризовать прицельным параметром b — минимальным расстоянием, на которое он бы приблизился к центру чёрной дыры, если бы двигался по прямой без учёта её гравитации. Геометрически это длина перпендикуляра из центра чёрной дыры на эту прямую. Вдали от чёрной дыры фотон и движется по этой прямой. Гравитация искривляет его траекторию, причём тем сильнее, чем меньше b. Если прицельный параметр станет меньше

27RS2≈2,6RS,

то на своём пути вокруг чёрной дыры фотон пересечёт фотонную сферу и будет поглощён горизонтом событий. Если теперь развернуть движение фотонов в обратную сторону, то станет ясно, что из области вокруг чёрной дыры с радиусом 2,6R_S излучение к наблюдателю не попадает, поскольку начала лучей для неё лежат на горизонте событий. Можно сказать, что здесь наблюдатель видит его «лицо» и «затылок». Это и будет «тень» чёрной дыры с радиусом 2,6R_S. Вращение чёрной дыры немного изменит значение, но не более чем на 4%.

Интересно посмотреть, что будет в случае, когда аккреционный диск повёрнут к наблюдателю ребром? Будем ли мы наблюдать что-то помимо полоски диска, аналогичной той, которую увидим, повернув к себе ребром монету? На первый взгляд кажется, что мы ничего другого не увидим, но это — ошибочное мнение. Здесь опять вмешивается эффект искривления лучей в сильном гравитационном поле. Излучение от задней, невидимой нам половины аккреционного диска благодаря гравитации обогнёт чёрную дыру со всех сторон, и мы снова увидим вокруг тёмного силуэта светящееся кольцо с тем же радиусом «тени». Подобную чёрную дыру можно увидеть в фильме «Интерстеллар».

Отчётливо видно, что полученное ЕНТ изображение несимметрично — снизу оно значительно ярче. Это результат так называемого доплеровского усиления, из-за которого излучение вещества, движущегося на нас, будет ярче, чем удаляющегося от нас.

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.

Черные дыры в сливающихся галактиках

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.

Черные дыры – 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.

Черная дыра Млечного Пути может являться источником высокоэнергетических нейтрино

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.

Наиболее известные черные дыры

Ученые что, не знали, существуют ли черные дыры на самом деле?

Image caption

Астрономы давно подозревали, что в центре галактики М87 находится супермассивная черная дыра, однако черное пятно в центре этого снимка — не сам коллапсар, а массивное скопление быстро движущихся звезд

Строго говоря, да, не знали — точнее, не были уверены. И уж точно ни одной не видели — до сегодняшнего дня. Существовали лишь убедительные косвенные доказательства.

На бытовом уровне это можно сравнить с громом и молнией. Мы знаем, что разряд молнии порождает мощную ударную волну, которую мы воспринимаем как гром, и одно без другого существовать не может.

Однако молния может быть скрыта за толстым слоем облаков или высотными зданиями, и тогда мы слышим только удар грома, а самой молнии не видим — но можем с уверенностью предположить, что она была. Хотя и не можем полностью исключить другие объяснения.

Примерно так же и с черными дырами. Их существование было предсказано более общими научными теориями (впервые — еще в конце XVIII века) и с тех пор многократно подтверждено расчетами. Но «вещественных доказательств» у ученых не было — а теперь есть.

Кстати, ровно по такому же принципу физики десятилетиями прицельно искали предсказанные ранее гравитационные волны и бозон Хиггса. И в итоге — после десятилетий поисков — нашли и то и другое.

Image caption

До сегодняшнего дня все изображения черных дыр — как эта картинка — были лишь рисунками художников

«Значимость нашего открытия состоит в том, что оно превратило математический концепт горизонта событий, который обычно представляет собой написанные на доске формулы, в реальный объект — во что-то, что можно проверить, измерить и наблюдать», — заявил один из руководителей проекта Лучано Реццола.

Что такое черная дыра?

Чтобы в полной мере понять, почему вы не можете просто упасть или запустить свой космический корабль в черную дыру, вы должны сначала понять основные свойства этих космических объектов.

Черные дыры не просто назвали именно так, поскольку они не отражают и не излучают свет. Они видны только тогда, когда поглощают очередную звезду или газовое облако, которые после этого не могут выбраться за границу черной дыры, называемой горизонтом событий. За горизонтом событий находится крошечная точка — сингулярность, где гравитация настолько интенсивна, что она бесконечно изгибает пространство и время. Именно здесь законы физики, какими мы их знаем, нарушаются, а это означает, что все теории о том, что находится внутри черной дыры, являются лишь предположениями.

Этот снимок считается первой фотографией черной дыры M87. Она находится в 55 миллионах световых лет от Земли

Черные дыры кажутся экзотикой большинству из нас, но для ученых, которые на них специализируются, их изучение — обычное дело. Физики выдвигали теории о подобных объектах в течение десятилетий после того, как общая теория относительности Альберта Эйнштейна предсказала существование черных дыр. Однако эта концепция не воспринималась всерьез до 1960-х годов, пока ученые не стали свидетелями поглощения звезд черными дырами. Сегодня черные дыры считаются частью звездной эволюции, и астрономы подозревают, что даже в нашей галактике Млечный Путь их миллионы.

Примет ли Россия участие в проекте?

Россия не принимала участие в проекте в первую очередь потому, что не имеет современных радиотелескопов, работающих в миллиметровом диапазоне длин волн. Например, крупнейший в мире космический радиотелескоп «Радиоастрон» (запущен в 2011 году) с диаметром антенны 10 метров, позволивший достигнуть рекордных значений разрешения, работает в сантиметровом диапазоне.

Но ситуация может измениться. В 2018 году Россия и Узбекистан приняли решение достроить на юге Узбекистана уникальный радиотелескоп «Суффа» на одноимённом плато, который должен работать именно в миллиметровом диапазоне. Строительство этого 70-метрового радиотелескопа началось в 1985 году, но в 1991 году было законсервировано. Если всё пойдёт по плану, то телескоп сможет войти в строй к 2024 году. Стоимость работ порядка 4 миллиардов рублей.

Кроме того, в планах российских астрономов запуск космической обсерватории «Миллиметрон» (Спектр-М) с 10-метровым зеркалом, предназначенной для исследований в миллиметровом и инфракрасном диапазонах. Космический телескоп благодаря значительному удалению от Земли существенно увеличивает разрешающую способность интерферометра. Однако, скорее всего, «Миллиметрон» запустят лишь после 2030 года.

Черную дыру трудно увидеть, потому что она черная?

Нет. То есть, да. Это правда: черные дыры — черные. Обычно мы видим всякие звезды и все такое, потому что свет, который они излучают, доходит до наших телескопов (или прямо в наши глаза), и мы его регистрируем. Черные дыры действительно черные. Они не излучают видимого света (из-за сложных гравитационных фокусов), поэтому их не видно.

Но это не большая проблема. Если бы черная дыра была у нас в Солнечной системе, вы бы ее увидели. Вы увидели бы искривление пространства ее присутствием и увидели бы вещество, которое вращается вокруг этой воронки. Если вы видели фильм «Интерстеллар», в нем приблизительно точно показана визуализация черной дыры — ее делали с помощью астрофизика Кипа Торна.

Черную дыру трудно увидеть, потому что она крошечная. Ну, хорошо, не такая крошечная, как муравей, например. Она крошечная в том смысле, что человек крошечный, если смотреть на него с расстояния километра. Лучшим термином будет угловой размер. Если вы повернете голову по кругу, вы получите круговой обзор на 360 градусов (но не забывайте повернуть и тело, а то шею свернете). Если вы будете держать большой палец на расстоянии вытянутой руки, это примерно полградуса углового размера. У Луны примерно такой же угловой размер, поэтому вы можете прикрыть ее большим пальцем.

Что же насчет размеров черной дыры? Да, она огромна. А еще она на расстоянии 55 миллионов световых лет. Это значит, что для того, чтобы свету добраться так далеко, ему потребуется 55 миллионов лет. Это невероятно далеко. Но в действительно нам мешает угловой размер. У черной дыры (по крайней мере, ее видимой части) угловой размер — около 40 микроарксекунд.

Что такое микроарксекунда? Как вы знаете, круг разбит на градусы (и уже давно). Каждый градус можно разбить на 60 угловых минут, а каждая минута — это 60 арксекунд. Если разбить арксекунду на миллион частей, получится микроарксекунда. Помните, что угловой размер Луны — 0,5 градуса (если смотреть с Земли)? Это значит, что угловой размер Луны в 45 миллионов раз больше, чем размер черной дыры. Черная дыра крошечная с точки зрения углового размера.

Но это еще не все. Из-за дифракции мы не можем видеть вещи крошечных угловых размеров. Когда свет проходит сквозь отверстие (например, попадает в телескоп или в глаз), он рассеивается. Он изгибается таким образом, что мешает остальному свету, проходящему через отверстие. В случае с глазом, это означает, что люди могут разобрать объекты с угловым размером около 1 аркминуты.

И это так же означает, что что-то настолько крошечных угловых размеров, как черная дыра, сложно поймать на фото.