Самая известная черта черных дыр оказалась мифом

Призраки погибших вселенных

На этом изображении можно увидеть многое.

В августе этого года британский физик Оксфордского университета Роджер Пенроуз сделал весьма громкое заявление. Он и его команда утверждают, что до появления нашей Вселенной, то есть до Большого взрыва, существовала другая вселенная. На такой вывод ученых натолкнул ряд наблюдаемых световых аномалий в микроволновом фоновом излучении, которые, по словам Пенроуза, представляют собой световые спирали, оставшиеся от черных дыр, принадлежавших предыдущей вселенной, существовавшей до Большого взрыва.

В одной из своих теорий еще более знаменитый британский физик Стивен Хокинг предположил, что черные дыры, после того, как потеряют основную массу своих частиц, пропадают. Эти гипотетические частицы носят название гравитонов. Они не имеют массы, электрического и иного заряда, но при этом обладают энергией и поэтому участвуют в гравитационном взаимодействии.

Когда одна вселенная погибает и появляется новая, эти гравитоны, как считает, Пенроуз, становятся частью новой вселенной. Ученый и его коллеги убеждены, что обнаружили эти уцелевшие «остатки» в микроволновом фоновом излучении. Они назвали обнаруженные световые аномалии «точками Стивена Хокинга». Если наблюдения ученых подтвердятся, нас ждет серьезная редактура теории Большого взрыва.

Зачем землянам изображение черной дыры?

Снимок подтверждает как сам факт существования черных дыр — хотя в нем никто и так не сомневался, — так и то, насколько точны наши представления о них и бублике из пожираемой ими материи. Попутно он позволил несколько уточнить размеры и, соответственно, массу сверхмассивной черной дыры в центре эллиптической (округлой) галактики М87 в 53,5 миллиона световых лет от нас. М87 оказалась очень солидной дырой — в 6,5 миллиарда раз массивнее Солнца. Диаметр ее — 30 миллиардов километров. То есть если взять центральную часть Солнечной системы — от Солнца до Плутона — и засунуть ее внутрь этой черной дыры, то все наши планеты там спокойно поместятся и еще останется немало дополнительного места.

Другая примечательная деталь: судя по новым снимкам, черная дыра М87 вращается с огромной скоростью, более 90% от теоретически возможной. С близкой скоростью вращается и бублик материи вокруг нее. Такая огромная скорость вращения получена для черной дыры впервые и очень интересна. Дело в том, что черная дыра вращается тем быстрее, чем больше вещества упало на нее за всю ее историю. Получается, М87 не только сейчас активно пожирает материю (что и так видно на снимке ее тени), но и делает это уже миллиарды лет подряд без заметных пауз. Это очень резко отличает ее от поведения большинства черных дыр, которые «питаются» намного скромнее. Было бы неплохо понять, почему М87 такая особенная и что вообще определяет аппетит таких опасных объектов, как крупная черная дыра.

Модель сверхмассивной черной дыры M87

Но и это, пожалуй, далеко не самое важное в полученном результате. Дело в том, что черные дыры, по сути, ключевые действующие лица в окружающей нас Вселенной

Если взглянуть на почти все известные галактики, в центре каждой из них лежит сверхмассивная черная дыра (и в нашем Млечном Пути — тоже). И они там вовсе не для красоты: тяготение таких сверхмассивных объектов «собирает» вокруг себя ядро каждой галактики и в конечном счете саму галактику. Без черной дыры в центре материя не могла бы быстро собраться в достаточно плотные структуры. А значит, и образование звезд, и эволюция планетных систем шли бы куда медленнее.

Из этого легко понять, зачем нужно изучать черные дыры: чтобы понимать, как работает Вселенная вокруг нас, надо знать, как работает главный «сборочный механизм» в ее галактике.

Струя плазмы от сверхмассивной черной дыры в галактике М87, снимок в радиодиапазоне

Приведем простой пример. Черную дыру в центре галактики М87 удалось снять с высоким качеством потому, что эта дыра очень активно «глотает» вещество и перед приемом «пищи» сильно ее нагревает (трением частиц поглощаемого вещества друг о друга). Бублик этой материи от нагрева дает жесткое рентгеновское излучение, а вверх и вниз от черной дыры бьют струи горячей плазмы, разогнанной до десятков и сотен тысяч километров в секунду. Если бы эта иллюминация состоялась в нашей Галактике, то спецэффекты от нашей сверхмассивной черной дыры было бы видно на Земле и днем и ночью.

Струя плазмы от сверхмассивной черной дыры в галактике М87, снимок космчиеского телескопа «Хаббл»

Согласно ряду научных работ, два-три миллиона лет назад все так и было. И тогда наша планета могла получать солидное количество жесткого излучения из центра Галактики, где лежит «местная» галактическая черная дыра Стрелец А*. Что будет, если Стрелец А* перейдет от своего нынешнего «голодного» существования к активному пожиранию материи, как в Галактике М87? Не будет ли это угрожать земной жизни? Можно ли предсказать такое событие заранее и насколько оно опасно? Все это — вопросы, ответы на которые хорошо бы знать заранее, а не тогда, когда будет уже слишком поздно.

Как мы узнали о существовании этих космических монстров?

Уже обнаружено около тысячи объектов, которые причисляются к черным дырам. Всего же предполагается существование десятков миллионов таких объектов. Опишем коротко, как человечество пришло к таким открытиям.

Ранние гипотезы

Гипотеза о существовании такого массивного объекта была впервые предложена в 1783 году английским геологом Джоном Митчеллом в письме Генри Кавендишу из Британского королевского общества. В то время теория гравитации Ньютона и идея второй космической скорости были хорошо известны. По оценкам Митчелла, тело с радиусом в 500 раз больше солнечного и с такой же плотностью будет иметь на своей поверхности вторую космическую скорость, равную скорости света, и поэтому будет невидимым.

В 1796 году французский математик Пьер-Симон Лаплас предложил ту же идею в первом и втором изданиях своей книги «Exposition du système du monde». Однако она не привлекла большого внимания в 19 веке и исчезла из последующих изданий его книги, так как в то время свет считался безмассовой волной, не подверженной влиянию гравитации.

Общая теория относительности

В 1939 году Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер предсказали, что массивные звезды могут подвергнуться резкому гравитационному коллапсу. Однако черные дыры (как гипотетические объекты) не были предметом большого интереса до конца 1960-х годов. Интерес к ним ожил в 1967 году с открытием пульсаров.

Открытие Лебедя X-1 (Cygnus X-1)

Астрономы из Военно-морской исследовательской лаборатории США обнаружили Лебедь Х-1 в 1964 году. Он был дополнительно исследован в 1970-х годах, когда был запущен рентгеновский спутник Ухуру (Uhuru). Когда за объектом начали наблюдать, обнаружилось, что его не было видно ни на одной плоскости электромагнитного спектра, кроме рентгеновских лучей. Более того, рентгеновские лучи мерцали по интенсивности каждую миллисекунду. Затем астрономы переключились на его ближайшего соседа — звезду HDE 226868, у которого была замечена орбита, указывающая на то, что он является частью двойной системы. Однако странность заключалась в том, что ни одна звезда-компаньон не находилась в непосредственной близости от HDE 226868. Чтобы HDE оставался на своей орбите, его спутнику требовалась масса, превышающая таковую у типичного белого карлика или нейтронной звезды. Более того, это странное мерцание могло возникнуть только из-за небольшого объекта, который мог претерпевать такие быстрые изменения. Озадаченные, ученые смотрели на свои предыдущие наблюдения и теории, чтобы попытаться определить, что это за объект, но были шокированы, когда нашли свое решение в теории, которую многие считали просто математической фантазией.

Лебедь X-1 расположен на расстоянии 6 070 световых лет от нас, имеет диаметр всего около 32-64 км, массу около 14,8 солнечных и скорость вращения 800 оборотов в секунду. Все эти данные соответствуют тому, какой должна быть черная дыра, если бы она находилась в непосредственной близости от HDE 226868. Эти два объекта расположены на расстоянии 0,2 а. е. друг от друга, что позволяет Лебедю откачивать материал из своего спутника, придавая ему форму яйца. Было замечено, что материал входит в Лебедя, но в конечном итоге он значительно смещается и «уходит» в сингулярности.

Сингулярность — это точка за горизонтом событий, где, согласно общей теории относительности, пространство-время имеет бесконечную кривизну. В этой области пространство и время перестают существовать в том виде, как мы их знаем, а потому к ней не применимы действующие законы физики. Пространство за горизонтом событий особенно в том смысле, что сингулярность является буквально единственным возможным будущим, поэтому все частицы должны двигаться к нему.

Обнаружение

Отличить черную дыру от другого объекта можно по соотношению размера к массе, для этого нужно сравнить ее физический радиус с гравитационным радиусом. Массу и расположение черных дыр рассчитывают используя данные о перемещении звезд.

Самая близкая к Земле черная дыра

В статье, опубликованной в журнале Astronomy&Astrophysics, ученые рассказали подробнее о своей находке. Самая близкая к Земле черная дыра находится в тройной звездной системе HR 6819, которая удалена от Солнца на тысячу световых лет.

Причем для того, чтобы ее увидеть, не обязательно иметь большую обсерваторию: в ясную безлунную ночь звездную систему можно найти в южном созвездии Телескопа.

Синим цветом изображены орбиты звезд из системы, красным — орбита черной дыры

Исследование черной дыры, конечно же, происходило с помощью специальных приборов и 2-метрового телескопа в обсерватории Ла-Силья в Чили. С его помощью астрономы узнали, что система состоит из двух звезд и еще одного невидимого объекта. Они пришли к выводу, что это «спящая» черная дыра, которая в данный момент не потребляет вещество. Поскольку она все равно находится довольно далеко от Солнечной системы, она не представляет опасность для Земли и других планет.

По словам ученых, открытие поможет им еще лучше искать другие «спящие» или «тихие» черные дыры. Они будут наблюдать за системами, аналогичными HR 6819, чтобы найти остальные похожие объекты. Не забывая при этом про наблюдения за всплеском гравитационных волн, который регистрируется каждый раз после слияния черных дыр.

Путешествие от созвездия Телескопа к звездной системе HR 6819

Исследование червоточин

Итак, вернемся к исследованию ученых. Согласно полученным результатам, если мы отправим сообщение через червоточину, которая соединяет черные дыры в разных вселенных, то оно должно быть очень коротким (измеряемое в квантовых битах или кубитах). Так что если ученые из вселенной по ту сторону черной дыры тоже решать нам что-нибудь сообщить, это будут лишь крупицы информации.

Для того чтобы наладить связь между двумя вселенными, необходимо чтобы и вселенные, и связанные черные дыры имели определенный вид и форму. Например, проход сквозь кротовую нору возможен только в случае, если пространство-время имеет отрицательную кривизну. Звучит не очень понятно, так что поясним: кривизна пространства-времени это физический эффект, из-за расхождения или сближения траекторий свободно падающих тел. Искривление пространства может быть положительным и отрицательным. Простраство с положительной кривизной — это поверхность сферы, которая одинаково искривлена в каждой точке. А пространство с отрицательной кривизной может иметь форму седла для верховой езды, с разной кривизной в разных точках. Кстати, на можно прочитать о параллельных вселенных.

Так выглядит пространство с отрицательной кривизной

Благодаря предыдущим исследованиям, ученые знали, теоретическая передача информации через червоточины аналогична квантовой телепортации. Однако, в случае с кротовыми норами существуют ограничения на объем передаваемой информации. А в квантовой телепортации информацию можно практически мгновенно отправить на огромные расстояния, используя квантово-запутанные частицы, то есть частицы не связанные друг с другом, вне зависимости от расстояния, которое их разделяет.

Возможность обнаружения

Один из возможных способов обнаружения первичных чёрных дыр — отслеживание их излучения Хокинга. Стивен Хокинг предположил в 1974 году, что большое число небольших первичных чёрных дыр может существовать в области галактического гало нашей Галактики. Согласно теории, все чёрные дыры испускают излучение Хокинга в количестве, обратно пропорциональном их массе. Поскольку это излучение сокращает их массу, чёрные дыры с очень малыми массами будут быстро «испаряться», производя на заключительном этапе взрыв, эквивалентный взрыву водородной бомбы в миллионы мегатонн. С другой стороны, стабильная чёрная дыра с массой около 3-х солнечных масс не может потерять свою массу за время существования Вселенной (ей потребуется на это примерно 1069 лет). Но, поскольку первичные чёрные дыры образуются не путём коллапса звёзд, они могут быть любого размера, и чёрная дыра с массой около 1011 кг будет иметь срок существования, примерно равный возрасту Вселенной (около 13 миллиардов лет). Если такие маломассивные чёрные дыры возникли в достаточном количестве в период Большого взрыва, сегодня мы должны иметь возможность наблюдать некоторые из них. Космический гамма-телескоп Ферми, запущенный на спутнике НАСА в июне 2008 года, в частности, предназначался для поиска «испаряющихся» первичных черных дыр. Но если излучение Хокинга на самом деле не существует, обнаружить первичные чёрные дыры будет крайне сложно, если не невозможно вообще, в силу их небольшого размера и силы тяготения. Было высказано предположение, что микроскопические чёрные дыры с массой порядка нуклона и огромными скоростями могут беспрепятственно проникать сквозь Землю без вредных последствий для неё, производя при этом уловимый акустический сигнал.

Ещё один способ обнаружить первичные чёрные дыры — наблюдение за поверхностью звёзд. Если чёрная дыра проходит через видимую звезду, плотность последней может испытывать наблюдаемые колебания.

Черная дыра-изгой

Одинокая черная дыра.

Ученые не раз задавались вопросом о возможности «выброса» галактиками своих центральных черных дыр. Однако долгое время доказательств этого явления астрономы не могли обнаружить. Но в 2017 году галактика 3C186 преподнесла исследователям космоса настоящий сюрприз.

По мнению ученых, раньше галактика 3C186 представляла собой две отдельные галактики, которые в какой-то период своей истории слились в одну. Новая галактика обрела вполне явные очертания и форму, вместо предполагаемого беспорядочного строения, но главный сюрприз преподнес ее центр: ученые, полные надежд найти в нем сверхмассивную черную дыру, вообще ничего не нашли.

Позже черная дыра все-таки обнаружилась, только в 35 000 световых годах от галактического центра 3C186. Когда произошло столкновение двух звездных скоплений, столкнулись и их центральные галактические черные дыры, что в итоге привело к появлению сверхмассивной черной дыры. Данное событие, вероятнее всего, создало очень мощные гравитационные волны, которые эту новообразованную черную дыру и вытолкнули из галактики, объясняют ученые.

Сделать это, впрочем, оказалось не так-то просто, продолжают исследователи. Для выброса черной дыры из галактического центра потребовалось энергия, эквивалентная взрыву 100 миллионов сверхновых. Ученые до сих пор не разобрались в том, что же там произошло на самом деле, но уже становится понятным, что существуют силы, способные противостоять даже мощи самих черных дыр.

Что интересно, черная дыра-изгой продолжает двигаться к границам своей галактики. При текущих темпах она будет полностью выброшена за ее пределы примерно через 20 миллионов лет.

Последствия

Испарение первичных чёрных дыр было предложено в качестве одного из возможных объяснений для гамма-всплесков. Другие космологические проблемы, решение которых может быть связано с первичными чёрными дырами, включают проблему тёмной материи, проблему космологической и проблему космологического монополя. Поскольку первичные чёрные дыры могут быть любого размера, вопрос о них также актуален при рассмотрении возникновения галактик.

Даже если изучение первичных чёрных дыр не разрешит вышеперечисленные проблемы, выявленные чёрные дыры (по состоянию на 2010 год, подтверждено существование только двух чёрных дыр средней массы) позволяют установить ограничения на спектр флуктуаций плотности на раннем этапе существования Вселенной.

Двойные системы

Иногда они могут взаимодействовать друг с другом.

Еще одной загадкой для ученых являются так называемые двойные, то есть парные черные дыры, оборачивающиеся вокруг друг друга. Случаи столкновения черных дыр ученые уже отмечали в прошлом. Два были определены в 2015 году, еще один – в 2017-м. Что удивительно, благодаря последнему ученые впервые стали прямыми свидетелями не менее редкого явления.

В полученном сигнале столкновения двух черных дыр были отмечены признаки гравитационной ряби пространства-времени — изменения гравитационного поля, распространяющегося подобно волнам. Обе черные дыры при этом не были уничтожены, но вместо этого слились в единое целое – сверхмассивную черную дыру, по размерам еще больше, чем ее прародители.

По поводу природы появления систем из двойных черных дыр у ученых имеется два предположения. Согласно одному, двойные черные дыры появляются при гибели двойных систем звезд. Согласно второй – черные дыры формируются независимо друг от друга и уже после, дрейфуя в космосе, притягиваются друг другу под действием гравитационных сил.

Почему это событие важно?

Астрофизики уже давно не сомневаются в существовании чёрных дыр, но до сих пор это была лишь модель, которая очень хорошо описывала целый ряд астрофизических явлений: излучение ядер галактик, двойные рентгеновские системы и т. д. Да, без неё трудно объяснить наблюдаемые явления, но это была всё же модель. А вот теперь мы увидели чёрную дыру воочию, это наблюдаемый факт. Кроме того, впервые получено экспериментальное подтверждение вращения чёрных дыр.

Новых результатов работа EHT в целом не принесла. Многие свойства полученного изображения даже неожиданно хорошо соответствуют теоретическим представлениям. Но, с другой стороны, это даёт уверенность в правильности методов измерения и интерпретации результатов, в том числе и оценок массы чёрной дыры.

Зато в дальнейшем доработанный метод и более масштабные наблюдения, возможно, с участием космического телескопа позволят детально наблюдать процессы около чёрной дыры, которые тоже до сих пор были только моделью. Благодаря этому астрофизики смогут «разобраться» с вопросами по сильным гравитационным эффектам, ожидаемым вблизи чёрной дыры, по поведению вещества вблизи чёрной дыры, в том числе и с механизмом возникновения джетов.

Результаты наблюдений можно использовать для тестирования общей теории относительности и различных альтернативных теорий гравитации, которые предсказывают, например, разную форму «тени». Так, общая теория относительности предсказывает, что «тень» чёрной дыры будет круглой, а другие теории предполагают, что она сжата вдоль различных осей и имеет сложную форму. Но для того чтобы увидеть различия, надо получить более чёткое её изображение.

Одна из дальнейших целей EHT — понять, почему, в отличие от других галактик, сверхмассивная чёрная дыра в центре Млечного Пути сравнительно тусклый объект — её яркость всего в несколько сотен раз больше яркости Солнца.

Где находится ближайшая к Земле черная дыра?

Черные дыры — это массивные небесные объекты, чье гравитационное притяжение настолько велико, что они способны поглотить все, что приближается к ним слишком близко. В прошлом все черные дыры являлись сверхмассивными звездами или сверхновыми, которые взорвавшись, образовали новый объект с по-настоящему уникальными свойствами.

Для того, чтобы отыскать черные дыры в нашей галактике, астрономы измеряют рентгеновские лучи, испускаемые той или иной черной дырой при их отталкивании от соседних звезд. Так, самым ближайшим к нашей планете местом, где нарушаются все законы времени и пространства, можно считать черную дыру V616 Monocerotis, расположенную в 3000 световых годах от нас, об особенностях которой мы рассказывали в одной из предыдущих статей.

Не так давно группа исследователей задалась вопросом, могут ли во Вселенной существовать относительно маломассивные черные дыры, которые могли бы не испускать рентгеновские сигналы так, как это делают их большие по размерам “собратья”.

Такие гипотетические черные дыры, вероятно, существуют в системах с двойными звездами, вращаясь при этом достаточно далеко от них. Будучи спрятанным от наблюдателей парными звездами, рентгеновское излучение таких черных дыр останется невидимым для исследователей. Для того, чтобы подтвердить или опровергнуть столь оригинальную теорию, ученые проанализировали огромное количество парных звезд, в результате чего были замечены определенные изменения спектров и длин волн света от каждого из этих объектов. Так, сдвиг в сторону более голубых или более красных волн означал, что звезда может вращаться вокруг невидимого спутника, которым вполне могла оказаться небольшая черная дыра.

Именно благодаря данному способу исследователи смогли обнаружить массивный темный объект, заключенный в гравитационные объятия с быстро вращающейся гигантской звездой на расстоянии около 10 000 световых лет в дальних уголках нашей галактики. Исследователи оценили массу этого объекта примерно в 3,3 раза больше, чем у нашего Солнца, что указывает на тот факт, что обнаруженный объект не может быть нейтронной звездой из-за слишком большой массы, при этом проигрывая по тому же показателю любой известной черной дыре.

Чтобы понять природу обнаруженного объекта, исследователи предположили, что во Вселенной существует особый класс черных дыр, масса которых делает их чем-то средним между нейтронными звездами и классическими черными дырами.

Новый класс черных дыр может быть представлен миниатюрными по космическим меркам объектами

Как известно, самая массивная нейтронная звезда, известная ученым, имеет массу в 2,1 раза больше массы нашего Солнца, в то время как наименее массивной черной дырой долгое время считался объект, чья масса примерно в пять-шесть раз больше массы нашего Солнца. Тем не менее, нижняя граница массы открытого объекта оказалась наименьшей за всю историю наблюдений и всего в 2,6 раза превышает массу нашего Солнца. Такой показатель, по мнению астрономов, является верхним пределом того, насколько большой может быть нейтронная звезда: еще немного, и нейтронная звезда превратится в черную дыру.

Таким образом, обнаруженный темный и весьма таинственный объект может быть или самой массивной нейтронной звездой, которую когда-либо могли обнаружить во Вселенной, или самой маленькой черной дырой. Для того, чтобы разобраться в этом непонятном вопросе, исследователям в скором времени придется использовать космический аппарат Gaia от Европейского космического агентства, который поможет собрать необходимую информацию в предстоящей миссии.