Как обнаружить черную дыру кратко

Обновлено: 06.07.2024

Чёрная дыра — это место в космосе, где гравитация настолько сильна, что даже объекты движущиеся со скоростью света не могут ей сопротивляться, в том числе сами частицы света. Такое гравитационное притяжение возникает, потому что материя была сжата в крошечное пространство. Считается, что подобные явления происходят, когда умирают звёзды.

Поскольку никакой свет не может покинуть эту область, чёрные дыры буквально невидимы. Однако космические телескопы со специальным оборудованием способны их обнаруживать. Например, можно фиксировать необычное поведение объектов, которые находятся близко к чёрной дыре.

Размеры чёрных дыр

Учёные считают, что самые маленькие чёрные дыры, размером всего в один атом, могли возникнуть в первые мгновения существования Вселенной. Подобные условия создают на большом адронном коллайдере, и у общественности возникают опасения, что это может привести к возникновению чёрной дыры.

Как образуются чёрные дыры

Такие большие объекты, как звёзды, обладают большой гравитацией. Вся материя звезды всегда притягивается к центру, но термоядерные реакции не позволяют ей схлопнуться. То есть с одной стороны работает притяжение, а с другой давление, которое удерживает форму звезды.

Самой популярной считается теория, что чёрная дыра — это конечная стадия жизни звезды с очень большой массой, превышающей как минимум массу 20 Солнц. Когда внутри такой звезды прекращаются термоядерные реакции (заканчивается топливо), то под действием своей огромной гравитации она ускоренно сжимается в нейтронную звезду. В зависимости от своей начальной массы, она может остаться сверхплотной нейтронной звездой либо продолжить сжиматься с такой силой, что даже свет не сможет покинуть её пределы — это и будет чёрная дыра.

Существует и другой сценарий, когда все те же процессы происходят с межзвёздным газом, находящимся на стадии превращения в галактику или какое-то скопление. Если внутреннее давление не может компенсировать гравитацию, то вся материя начинает сжиматься, что приводит к образованию чёрной дыры.

Может ли чёрная дыра уничтожить Землю

Чёрные дыры не передвигаются по космосу, поглощая звёзды, луны и планеты. Земля не упадет в чёрную дыру, потому что ни одна из них не находится достаточно близко к Солнечной системе.

Даже если бы в центре нашей системы образовалась чёрная дыра той же массы, что Солнце, Землю всё равно бы не затянуло туда. Чёрная дыра будет иметь ту же гравитацию, что и Солнце. Земля и другие планеты будут вращаться вокруг неё, как они вращаются вокруг Солнца.

В любом случае Солнце не такая большая звезда, чтобы когда-то превратиться в чёрную дыру.

Черные дыры - одни из самых загадочных объектов Вселенной. Разберемся вместе, что это такое и почему их так сложно обнаружить, будет много интересной информации картинок и фотографий.

Что такое черная дыра

Черная дыра — это область пространства-времени с настолько сильной гравитацией , что она засасывает все вокруг , в том числе и свет. На самом деле, четкого определения "что такое черная дыра" не существует , они все так или иначе различаются.

Например, еще можно дать определение черной дыре как максимально компактному объекту , который не демонстрирует никаких свойств поверхности . Размер этого объекта соответствует радиусу Шварцшильда - расстоянию от центра этого тела до горизонта событий.

Горизонт событий - это так называемая "точка невозврата", ну или по простому - граница черной дыры, при пересечении которой вернуться назад уже не получится.

Для каждого объекта существует свой радиус Шварцшильда , который можно посчитать. Если сжать любой предмет до этого радиуса, он превратится в черную дыру.

Например, если сжать Солнце , чтобы оно стало черной дырой , его радиус составил бы всего 3 км , при изначальных 700 тыс. км . Ну, или черная дыра с массой, равной массе Земли, обладала бы радиусом Шварцшильда около 9мм (то есть Земля могла бы стать черной дырой , если бы что-то смогло ее сжать до такого размера).

Само словосочетание "черная дыра" - это просто удачно придуманное название . Обычно, в науке приживается какое-то словосочетание именно потому, что оно удобное . Дыра - потому что, если что-то туда попало, то не сможет выбраться назад . Черная - потому, что сам по себе объект практически ничего не излучает. Если представить себе пустую Вселенную и поместить туда черную дыру - то ее невозможно будет увидеть. Она ничем не выделяется на фоне этой черноты.

Черные дыры влияют на пространство и время

Все современные теории гравитации - геометрические. В них, гравитация описывается как свойство пространства и времени . Подразумевается, что между пространством и временем можно составить уравнение, то есть эти величины взаимосвязаны .

Согласно теории относительности Эйнштейна , пространство и время объединены в некоторую сущность . Абсолютно любые тела, не только массивные , но и самые маленькие - искривляют пространство вокруг себя и одновременно влияют на ход времени . Современными приборами мы можем определить, что в разных местах время может идти по разному.

Можно сказать, что черная дыра - это объект, но на самом деле, - объект, это что-то имеющее поверхность , то, что можно пощупать. Если идти по абсолютно темной комнате, можно наткнуться на стул - эта точка соприкосновения (может и не очень приятная) - будет объектом с началом в конкретной точке. А вот если попасть в черную дыру, в такой же, абсолютно темной комнате, то вы не заметите ее границу, потому что у нее нет никакой твердой поверхности , нет ощутимой границы, вы просто сразу окажетесь внутри неё , оп и всё.

Получается, что черная дыра - это область, где огромное количество массы свернуло пространство-время, и никакие предметы, попавшие в нее - не смогут ее покинуть . Всё, что туда попало, навсегда останется за горизонтом событий, это точка невозврата .

Каким образом можно обнаружить черную дыру?

Если черная дыра находится рядом со звездой, она будет "поглощать" звезду своей гравитацией, засасывая ее вещество . Так как звезды состоят из газа, во время "поглощения" разные слои газа трутся друг о друга и нагреваются до миллионов градусов - вот тогда-то, это тепло становится видимым для нас . С помощью такого способа в начале 70-х годов, когда стали запускать первые рентгеновские детекторы в космос, открыли и первые черные дыры.

Кваза́р — класс астрономических объектов, являющихся одними из самых ярких (в абсолютном исчислении) в видимой Вселенной.

Это активные ядра галактик на начальном этапе развития , в центре которых находятся сверхмассивные черные дыры . Обнаружить их можно даже на очень больших расстояниях. Квазары являются исключительно мощным источником излучения (иногда в десятки и сотни раз превышающего суммарную мощность всех звезд таких галактик как наша). Когда ученые открывают квазар - получается, что они открывают и черную дыру , так как она является его центром.

Есть и другой способ обнаружения. Черная дыра сильно искажает пространство-время вокруг себя . Но тут важна не только масса, но и размер объекта (сама сингулярность очень маленькая), из-за того, что черные дыры небольшие (в рамках космоса) и очень тяжелые, возникает эффект "гравитационной линзы" . Черная дыра своим гравитационным полем будет изменять направление распространения света (электромагнитного излучения). Если источник света , массивный линзирующий объект и наблюдатель расположены на одной прямой , источник света будет виден как кольцо вокруг массивного объекта . Вот вам реальный снимок:

Представьте пример: ученые ведут наблюдение за звездой и вдруг замечают, что блеск от нее усиливается , а через какое-то время абсолютно симметрично спадает обратно . Со звездой ничего не случилось, но, судя по всему, между нами и звездой пролетело тяжеленное тело . И это самое тело, искажая пространство-время, собрало световые лучи .

Поэтому, наблюдателю кажется, будто светимость звезды возросла , а на самом деле, просто большая часть ее света была собрана и попала к нам на обозрение. Чтобы так исказить свет, нам нужен очень тяжелый объект - например, звезда с массой десяти масс Солнца , но такую звезду мы бы сразу заметили - она была бы очень яркой . А у нас появился абсолютно черный объект , как раз примерно с такой массой , что бы это могло быть? Вот так мы ее и выявили, надеюсь понятно объяснил.

Перейдем к последнему эффективному способу поиска черных дыр. Если две черные дыры находятся рядом , то, сливаясь, они будут порождать гравитационно-волновой всплеск . В 2015 году впервые были обнаружены такие всплески гравитационного излучения. Вот пример такого слияния, правда звезд:

А можно сфотографировать черную дыру?

Для понятности, самая простая аналогия для черной звезды - это человек невидимка . Самого человека не видно, но если он на себя надевает одежду - ее мы видим без проблем. Можем облить его краской или обдать из огнетушителя - в общем, как то пометить - тогда он становится заметен . Ну вот с черными дырами получается приблизительно также. Исследователи не видят где находится горизонт событий , и тем более, не видят что находится за ним , поскольку от туда не возвращается ничего, даже свет. Но они могут изучать и замечать поведение вещества вокруг .

Вообще, то, что обычно называют изображением или фотографией черной дыры , на самом деле - изображение вещества, движущегося вокруг черной дыры . Но в его центре, действительно возникает темная область , поскольку там находится черная дыра , которая не может испускать свет . Вот вам первая в мире реальная фотография черной дыры:

Изображение тени сверхмассивной чёрной дыры в ядре галактики M 87, полученное в радиодиапазоне, с помощью Event Horizon Telescope (2019)

В большинстве своем - черные дыры - это маленькие объекты , находящиеся от нас на огромном расстоянии. Разглядеть черноту внутри яркой области удалось пока всего лишь в одном случае. Для хорошего снимка нужна была самая большая черная дыра в центре относительно близкой галактики , но проблема еще и в том, как получить изображение с достаточной детализацией?

Ни один телескоп не сможет сам по себе сделать такое изображение. Но, если совместить разные телескопы и они будут находится на большом расстоянии друг от друга, то, с точки зрения деталей, они будут работать как единое целое - один большой телескоп. Именно так, при помощи нескольких телескопов , расположенных почти по всей планете, получилось сделать снимок черной дыры в галактике M87 . Это единственная сделанная фотография на сегодняшний момент .

Чтобы получить похожие снимки других объектов, ученым нужны новые инструменты , которых у нас пока нет . Тем не менее, есть данные наблюдения поведения вещества вокруг разных черных дыр, практически до самого горизонта событий.

Если вы считаете эту статью полезной и хотите чтобы ее увидело большее количество людей - ставьте лайк, а еще, можете подписаться на канал. Любые замечания приветствуются.

Полученное на прошлой неделе усилиями восьми телескопов и тринадцати институтов изображение черной дыры оказалось размытым и менее интересным, чем рисунки художников, поэтому историческое событие породило множество иногда ехидных мемов (если вдруг не видели: пончик, око Саурона, котик, котики, маркетинг). Как мы можем увидеть черные дыры в хорошем качестве и при этом реалистично?

Реальность

Минувшая неделя показала, что изображение черной дыры можно получить, объединив несколько телескопов в разных частях земного шара в интерферометр со сверхдлинной базой и потратив большое количество машинного и человеческого времени на обработку полученных данных.

Изображение Event Horizon Telescope Collaboration

Чем больше расстояние между телескопами, объединенными в интерферометр, тем выше разрешение. 20 угловых микросекунд Event Horizon Telescope сравнивают с чтением газеты в Нью-Йорке из Парижа. Сверхмассивная черная дыра в галактике М87 имеет диаметр 40 миллиардов километров, ее тень, видимая как черное отверстие в центре, в 2,5 раза больше (100 миллиардов), а вокруг вращается аккреционный диск поглощаемого газа еще в несколько раз шире. Поэтому черную дыру смогли разглядеть с гигантского расстояния в 55 миллионов световых лет.

Несмотря на то, что черная дыра поглощает все, залетевшее за горизонт событий, ее можно заметить, изучая поведение вещества снаружи этого горизонта. Наблюдая за движением звезд в течение десятилетий, можно увидеть, как в центре нашей галактики они вращаются вокруг какого-то тяжелого, но невидимого объекта.

Изображение Keck/UCLA

Изображение NASA

А джет, исходящий из центра галактики Centaurus A, больше, чем сама галактика.

Изображение CXC/NASA и ESO

Изображение NASA

2016 год подарил нам возможность еще и услышать черные дыры. Преобразованные в слышимый человеческому уху диапазон гравитационные волны от слияния двух черных дыр дополняют визуальные красоты выше.

Кадр из фильма

Спорить, кто из ученых более прав, нет смысла — оба изображения показывают научно корректные явления гравитационного линзирования и аккреционного диска. Кстати, первое изображение черной дыры было создано еще в 1979 году французским астрофизиком Жаном-Пьером Люминэ при помощи компьютера и, что совершенно неудивительно, похоже как на оба выше, так и на полученное на прошлой неделе фото реальной черной дыры.

Виртуальность

А если кому-нибудь мало просто смотреть и хочется большей интерактивности, например, полетать вокруг черной дыры самостоятельно, то для этого лучше всего подойдет бесплатный планетарий-песочница Space Engine. Оказаться возле черной дыры в центре M87 там — дело пары минут. Находим галактику, нажимаем Ctrl+Shift+G, вуаля, мы на месте.

Делаем скриншот, немного играем с яркостью и цветом, и у нас есть почти точная копия реального изображения.

А поскольку в Space Engine можно виртуально летать по всей Вселенной, энтузиасты не только посмотрели на M87, но и нашли гораздо более красивые кадры.

Черные дыры — возможно, самые странные объекты во Вселенной, но их свойства очень трудно изучать, ведь они невидимы. Однако на сегодняшний день ученые разработали уже несколько способов найти следы этих монстров и совсем недавно рассказали об очередном богатом улове

Черные дыры были предсказаны общей теорией относительности (ОТО), созданной Альбертом Эйнштейном. Эта теория рассматривает гравитацию как искривление пространства-времени. В 1915 году Карл Шварцшильд сделал из уравнений ОТО удивительный вывод. Допустим, что существует объект невообразимой плотности: при массе Земли он будет иметь радиус порядка одного сантиметра, а при массе Солнца — несколько километров. Тогда тяготение этого сверхплотного монстра свернет вокруг него пространство-время. В этой искривленной геометрии прямые линии, по которым движутся лучи света, превратятся в замкнутые кольца. По ним свет и будет путешествовать, никогда не добираясь до удаленного наблюдателя. Вот почему ничто, даже свет, не сможет вырваться наружу из этого кокона.

Но откуда возьмется этот аттракцион невиданной плотности? Какая сила может сжать звезду до размера в несколько километров? Черные дыры долго казались абсурдом, теоретическим курьезом. Скепсис по их поводу выражал и сам Эйнштейн.

Однако в 1930-1960-хх гг. теоретики доказали, что черные дыры могут возникать при взрыве самых массивных звезд (массой более 30 солнц). В конце жизни такое светило взрывается как сверхновая. При этом внешние слои звезды улетают в космос, а ядро стремительно сжимается и превращается в черную дыру.

Пламя над бездной

Пока теоретики искали черные дыры в дебрях своих выкладок, наблюдатели совершенно неожиданно нашли их в космосе. Удивительно, но всепоглощающие невидимки оказались светильниками космического масштаба.

Сегодня наблюдателям известны миллионы сверхмассивных черных дыр, открытые благодаря их излучению. Но считается, что в центре практически каждой крупной галактики (а их в видимой Вселенной сотни миллиардов) есть собственный сверхмассивный монстр, просто большинство из них уже исчерпало запасы вещества и перестало светиться. Правда, до сих пор не вполне понятно, как образуются такие громадины.

Танцы со звездами

А как же черные дыры, которые получаются из ядер массивных звезд? Они тоже испускают рентгеновские лучи, если поглощают материю. Вот только эти крошки редко могут похвастаться королевской трапезой. Черная дыра звездной массы может устроить себе пир, только медленно поглощая звезду-спутник. Если этот светило-компаньон располагается слишком близко, мощная гравитация черной дыры буквально растягивает его, делая похожим не на шар, а на картофелину, и отрывает его вещество по кусочку.

Есть и еще один способ находить черные дыры звездной массы благодаря их спутникам. Он не требует, чтобы черная дыра пожирала своего компаньона. Нужно лишь внимательно следить за движением звезды. Так можно зафиксировать, что светило обращается вокруг чего-то невидимого, и вычислить массу невидимки. Если последняя тяжелее трех солнц, она может быть только черной дырой: для нейтронной звезды это слишком большая масса, а обычная звезда светилась бы.

Потенциально таким способом можно обнаружить множество космических невидимок. Но он требует уж очень тщательных наблюдений, поэтому пока подарил нам лишь несколько черных дыр. Кстати, совсем недавно ученые впервые применили его к объекту за пределами Галактики. Они обнаружили черную дыру массой 9–13 солнц в Большом Магеллановом Облаке — галактике-спутнике Млечного Пути. Правда, для этого потребовалось два с лишним года наблюдений на VLT, самом большом оптическом телескопе в мире. Ранее черные дыры звездной массы за пределами Млечного Пути находили только благодаря рентгеновскому излучению или гравитационным волнам.

Сотрясение пространства и времени

Таким образом, на сегодня зафиксировано около 90 столкновений черных дыр друг с другом или (гораздо реже) с нейтронными звездами. Для каждой отдельной галактики это чрезвычайно редкое событие. Но детекторы обозревают пространство на сотни миллионов световых лет, и в их поле зрения попадает множество галактик.

Читайте также: