Easy Science
4321 subscriber

Что такое черные дыры?

858 full reads

Черные дыры: факты, теория и определения

Имитация черной дыры перед Большим Магеллановым Облаком. (Изображение: © Alain R. | Wikimedia Commons)
Имитация черной дыры перед Большим Магеллановым Облаком. (Изображение: © Alain R. | Wikimedia Commons)

Черные дыры - одни из самых странных и интересных объектов в космосе. Они чрезвычайно плотные, с таким сильным гравитационным притяжением, что даже свет не может ускользнуть от их хватки, если он подходит достаточно близко. 

Альберт Эйнштейн впервые предсказал существование черных дыр в 1916 году со своей общей теорией относительности. Термин «черная дыра» был введен много лет спустя в 1967 году американским астрономом Джоном Уилером. После десятилетий, когда черные дыры были известны только как теоретические объекты, первая физическая черная дыра была обнаружена в 1971 году. 

Затем, в 2019 году, коллаборация Event Horizon Telescope (EHT) выпустила первое в истории изображение черной дыры. EHT увидел черную дыру в центре галактики M87, когда телескоп изучал горизонт событий, или область, за которой ничто не может убежать от черной дыры. Изображение отображает внезапную потерю фотонов (частиц света). Это также открывает совершенно новую область исследований в области черных дыр, теперь, когда астрономы знают, как выглядит черная дыра.

Пока что астрономы определили три типа черных дыр: звездные черные дыры, сверхмассивные черные дыры и промежуточные черные дыры.

Звездные черные дыры - маленькие, но смертельные

Когда звезда сжигает последнее свое топливо, объект может разрушиться или сжаться. Для более мелких звезд (примерно до трехкратной массы Солнца) новое ядро ​​станет нейтронной звездой или белым карликом. Но когда большая звезда коллапсирует, она продолжает сжиматься и создает  черную дыру звездной массы.

Черные дыры, образовавшиеся в результате коллапса отдельных звезд, сравнительно небольшие, но невероятно плотные. Один из этих объектов массой в три раза больше массы Солнца укладывается в диаметр города. Это приводит к сумасшедшему количеству гравитационной силы, притягивающей все вокруг объекта. Звездные черные дыры затем поглощают пыль и газ из окружающих их галактик, что позволяет им расти в размерах.

По данным  Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, «Млечный путь содержит несколько сотен миллионов» звездных черных дыр.

Сверхмассивные черные дыры - рождение гигантов

Маленькие черные дыры населяют вселенную, но их двоюродные братья, сверхмассивные черные дыры, доминируют. Эти огромные черные дыры в миллионы или даже миллиарды раз массивнее Солнца, но их диаметр примерно одинаков. Считается, что такие черные дыры лежат в центре почти каждой галактики, включая Млечный Путь.

Ученые не уверены, как появляются такие большие черные дыры. Как только эти гиганты сформировались, они собирают массу из пыли и газа вокруг них, материала, который в изобилии находится в центре галактик, позволяя им расти до еще более огромных размеров.

Сверхмассивные черные дыры могут быть результатом слияния сотен или тысяч крошечных черных дыр. Большие газовые облака также могут быть причиной, коллапсируя вместе и быстро наращивая массу. Третий вариант - коллапс звездного скопления. В-четвертых, сверхмассивные черные дыры могут возникать из больших скоплений темной материи. Это вещество, которое мы можем наблюдать благодаря гравитационному воздействию на другие объекты; однако мы не знаем, из чего состоит темная материя, потому что она не излучает свет и не может наблюдаться непосредственно.

Иллюстрация молодой черной дыры, такой как два удаленных беспыльных квазара, обнаруженных недавно космическим телескопом Спитцера. (Изображение: NASA / JPL-Caltech)
Иллюстрация молодой черной дыры, такой как два удаленных беспыльных квазара, обнаруженных недавно космическим телескопом Спитцера. (Изображение: NASA / JPL-Caltech)

Промежуточные черные дыры

Ученые когда-то думали, что черные дыры бывают только малых и больших размеров, но исследование выявило возможность существования черных дыр средней массы или промежуточных черных дыр (IMBH). Такие тела могут образовываться, когда звезды в скоплении сталкиваются в цепной реакции. Несколько из этих IMBH, образующихся в одной и той же области, могут в конечном итоге слиться вместе в центре галактики и создать сверхмассивную черную дыру.

В 2014 году астрономы обнаружили нечто, похожее на черную дыру средней массы в рукаве спиральной галактики.

Более новые исследования, проведенные в 2018 году, показали, что эти IMBH могут существовать в самом сердце карликовых галактик (или очень маленьких галактик). Наблюдения за 10 такими галактиками (пять из которых ранее были неизвестны науке до этого последнего исследования) выявили рентгеновскую активность - обычную для черных дыр - что свидетельствует о наличии черных дыр от 36 000 до 316 000 солнечных масс.

Как выглядят черные дыры? 

Черные дыры имеют три «слоя»: внешний и внутренний горизонт событий и сингулярность.

Горизонт событий черной дыры - это граница вокруг черной дыры, из которой не может вырваться свет. Как только частица пересекает горизонт событий, она не может уйти. Гравитация постоянна по всему горизонту событий.

Внутренняя область черной дыры, где находится масса объекта, известна как его сингулярность, единственная точка в пространстве-времени, где сосредоточена масса черной дыры.

Ученые не могут видеть черные дыры так, как они могут видеть звезды и другие объекты в космосе. Вместо этого астрономы должны полагаться на обнаружение излучения, которое испускают черные дыры, когда пыль и газ втягиваются в плотные объекты. Но сверхмассивные черные дыры, лежащие в центре галактики, могут быть окутаны густой пылью и газом вокруг них, которые могут блокировать характерные выбросы.

Иногда, когда материя притягивается к черной дыре, она рикошетом отскакивает от горизонта событий и выбрасывается наружу, вместо того чтобы быть втянутой внутрь. Создаются яркие струи вещества, движущиеся с почти релятивистскими скоростями. Хотя черная дыра остается невидимой, эти мощные струи можно наблюдать с больших расстояний.

Телескоп Event Horizon, состоящий из восьми наземных радиотелескопов планетного масштаба, созданных в рамках международного сотрудничества, запечатлел это изображение сверхмассивной черной дыры в центре галактики M87 и ее тени.(Изображение: EHT Collaboration)
Телескоп Event Horizon, состоящий из восьми наземных радиотелескопов планетного масштаба, созданных в рамках международного сотрудничества, запечатлел это изображение сверхмассивной черной дыры в центре галактики M87 и ее тени.(Изображение: EHT Collaboration)

Сияющий свет двойных черных дыр

В 2015 году астрономы, использующие лазерную интерферометрическую гравитационно-волновую обсерваторию (LIGO), обнаружили гравитационные волны от сливающихся звездных черных дыр.

«У нас есть еще одно подтверждение существования чёрных дыр звездной массы, которые больше 20 солнечных масс - это объекты, о существовании которых мы не знали до того, как LIGO их обнаружил», - заявил Дэвид Шумейкер, научный сотрудник LIGO Scientific Collaboration (LSC), говорится в заявлении. Наблюдения LIGO также дают представление о направлении вращения черной дыры. Поскольку две черные дыры вращаются вокруг друг друга, они могут вращаться в одном и том же направлении или в противоположных направлениях.

Есть две теории о том, как образуются двойные черные дыры. Первая предполагает, что две черные дыры в двоичном формате возникли примерно в одно и то же время, из двух звезд, которые родились вместе и умерли примерно в одно и то же время. Звезды-компаньоны имели бы такую ​​же ориентацию вращения, что и две оставшиеся после них черные дыры.

Согласно второй модели, черные дыры в звездном скоплении опускаются к центру скопления и образуют пары. Эти спутники будут иметь случайные ориентации спина относительно друг другу. Наблюдения LIGO о чёрных дырах-компаньонах с различной ориентацией спинов дают более убедительные доказательства этой теории образования.