Что такое черная дыра?

Черная дыра — это область в пространстве-времени, которая имеет гравитационное притяжение настолько сильное, что ничто, даже свет, не может ее покинуть. Граница черной дыры, за пределы которой не может вырваться никакой другой объект или излучение, называется горизонтом событий, а расстояние между этой границей и бесконечно плотным ядром — гравитационным радиусом или радиусом Шварцшильда.

Содержание:

Считается, что любая масса, спрессованная в сферу, радиус которой меньше или равен радиусу Шварцшильда, является черной дырой. Настолько сжатая масса может возникнуть, например, в результате гравитационного коллапса на самых поздних этапах развития очень тяжелой звезды.

Как образуются черные дыры?

Эти монстры возникают как фениксы, возрождаясь из пепла мертвых звезд. Известно, что в звездах происходят реакции термоядерного синтеза — слияние ядер легких атомов в более тяжелые, с выделением большого количества энергии. Так вот, когда звезды достигают конца своей жизни, запасы водорода, который они превращают в гелий, почти полностью истощаются. После водорода они начинают сжигать гелий и так далее, превращая оставшиеся атомы в еще более тяжелые элементы, вплоть до железа, чье слияние уже не дает достаточно энергии для поддержания внешних слоев звезды. Вследствие этого верхние слои рушатся внутрь и взрываются — этот взрыв называется вспышкой сверхновой.

Теоретически, такой взрыв может сжать массу вещества достаточно, чтобы ее радиус стал меньше или равен радиусу Шварцшильда, и она превратилась в черную дыру. Чтобы вы понимали, типичная нейтронная звезда (то, что обычно остается от звезды после вспышки сверхновой) имеет радиус Шварцшильда около 1/3 от ее собственного радиуса.

После образования черная дыра продолжает расти, поглощая материю из окружающего пространства. Поглощение звезд и слияние с другими черными дырами может привести к образованию сверхмассивной черной дыры. Согласно общему пониманию, такие объекты существуют в центрах большинства галактик.

Особенности черной дыры

Черная дыра выглядит очень необычно, лишь отдаленно напоминая некую планету, имеющую странные изогнутые кольца. Однако без аккреционного диска, вращающегося вокруг нее, мы бы ее даже не увидели. Давайте посмотрим какие у нее есть внешние особенности.

Отличительные черты черной дыры

Аккрецонный диск

Кольцевая структура аккреционного диска, состоит из вещества, падающего на черную дыру, оно разогрето и поэтому светится.

Фотонное кольцо

Фотонное кольцо (или орбита фотона) — это свет, который несколько раз сгибался вокруг черной дыры, прежде чем ускользнуть. Он имеет много слоев, которые становятся все тусклее и тусклее, это происходит потому, что с каждым новым витком свету сложнее вырваться за пределы этого монстра.

Эффект Доплера

На приведенном выше изображении левая сторона аккреционного диска выглядит ярче, чем правая из-за Эффекта Доплера, который обусловлен огромной орбитальной скоростью.

Гравитационное линзирование

Мы видим изогнутый аккреционный диск (сверху и снизу), потому что гравитация отклоняет направление света.

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 1915 году Альберт Эйнштейн разработал общую теорию относительности, ранее показав, что гравитация влияет на движение света. Через несколько месяцев Шварцшильд дал решение для уравнений Эйнштейна (Метрика Шварцшильда), которое достаточно точно описывает гравитационное поле уединённой невращающейся и незаряженной чёрной дыры.

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

Несмотря на невидимую внутренность, присутствие таких массивных объектов можно обнаружить по их взаимодействию с окружающими объектами, а также светом и другим электромагнитным излучениям (гравитационное линзирование).

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.

Какая самая большая черная дыра?

Самая большая черная дыра, присутствующая в нашей галактике — это Стрелец A*, ее масса в 4 миллиона раз больше, чем у Солнца. Она находится на расстоянии 25900 световых лет от Земли и должна иметь радиус не менее 12,7 ± 1,1 млн км.

Черная дыра в галактике Андромеды (M81)

Галактика Андромеды, расположенная на расстоянии 2,5 миллиона световых лет от нас, имеет черную дыру, которая составляет 110–230 миллионов масс Солнца. Этот объект значительно больше Стрельца А* в Млечном Пути.

M87*

Измерения массы, опубликованные телескопом Event Horizon в 2019 году, предполагают, что M87* — самая большая сверхмассивная черная дыра в окрестностях Млечного Пути. Ее масса около 6,5 млрд M☉, она расположена на расстоянии 53,5 млн световых лет от Земли.

Вращающийся диск с ионизированным газом окружает черную дыру и приблизительно перпендикулярен релятивистской струе, испускаемой М87*. Диск вращается со скоростью примерно до 1000 км/с и имеет максимальный диаметр 0,12 парсек (25 000 а.е.). Для сравнения, в среднем Плутон находится в 39 астрономических единицах (0,00019 парсек) от Солнца. M87* — это первая и пока единственная черная дыра, изображение которой мы смогли получить, оно было опубликовано 10 апреля 2019 года.

В квазарах

Массы черных дыр в квазарах можно оценить косвенными методами, что предполагает значительную неточность. Квазар TON 618 является примером объекта с чрезвычайно большой черной дырой, оцененной в 66 млрд солнечных масс. Другие примеры квазаров с оцененными массами черных дыр — APM 08279+5255, с массой 23 млрд M☉; S5 0014+81, с массой 40 миллиардов М☉.

Излучение

Предполагается, что черная дыра излучает разнообразные элементарные частицы, этот гипотетический процесс называется излучением Хокинга.

Излучение Хокинга

Понятие о чёрной дыре как объекте, который ничего не излучает, а может лишь поглощать материю, справедливо до тех пор, пока не учитываются квантовые эффекты. В квантовой теории поля физический вакуум наполнен постоянно рождающимися и исчезающими флуктуациями различных полей (можно сказать «виртуальными частицами»). В поле внешних сил динамика этих флуктуаций меняется, и если силы достаточно велики, прямо из вакуума могут рождаться пары частица-античастица. Такие процессы происходят и вблизи (но всё же снаружи) горизонта событий чёрной дыры. При этом возможно, что одна из частиц (неважно какая) падает внутрь чёрной дыры, а другая улетает и доступна для наблюдения.