Черные дыры: фото, факты, комментарии ученых

Черные дыры — одни из самых загадочных объектов Вселенной. Разбираемся вместе с астрофизиком Сергеем Поповым, что это такое и почему для их съемки нужны телескопы со всего мира

Что такое черная дыра

Черная дыра — это область внутри космоса с настолько сильной гравитацией, что она засасывает все вокруг, включая свет. Профессор РАН Сергей Попов объясняет, что у черных дыр нет одного четкого определения, и даже такое — это один из вариантов. Если спросить разных ученых — астрофизиков и физиков — они подойдут к ответу с разных сторон. Есть энциклопедические словари, которые закрепляют определения и дают конкретные ответы, но единственно верной формулировки не существует.

Лекция Сергея Попова о черных дырах на YouTube

Сам Сергей определяет черные дыры как максимально компактный объект, который не демонстрирует свойств поверхности. И размер этого объекта соответствует радиусу Шварцшильда — расстоянию от центра тела до горизонта событий. Где горизонт событий — это «точка невозврата» или граница черной дыры. Для каждого объекта существует свой радиус Шварцшильда, который можно рассчитать. Если сжать любой предмет до этого радиуса, он превратится в черную дыру. Условно говоря, если бы мы хотели сжать Солнце и трансформировать его в черную дыру, его радиус составил бы всего 3 км, при изначальных около 700 тыс. км.

Само словосочетание «черная дыра» — это просто удачно придуманное обозначение. Примерно как «Большой взрыв». Сама идея черных дыр возникла в конце XVIII века. Тогда их называли по-другому: были варианты «застывшие звезды» или «коллапсары». Но в итоге научная журналистка Энн Юинг предложила такой термин.

Визуализация черной дыры (Фото: NASA)

Сергей рассказывает, что в науке часто приживается какое-то словосочетание именно благодаря тому, что оно удобное.

Дыра — потому что, если что-то туда попало, то не может выбраться назад. А черная — потому, что сам по себе этот объект ничего или практически ничего не излучает. Если представить пустую Вселенную, черный космос, и поместить там черную дыру, то ее невозможно будет увидеть. Она ничем не выделяется на фоне этой черноты.

Черные дыры как область пространства-времени

Черные дыры еще определяют как область пространства-времени. Сергей Попов объясняет, что все современные теории гравитации — теории геометрические. В них гравитация описывается как свойство пространства и времени. Имеется в виду, что между пространством и временем можно составить уравнение, это взаимосвязанные величины.

С начала ХХ века, с первых работ Эйнштейна по теории относительности, пространство и время объединены в некоторую сущность. Любые тела, не только массивные, но и самые маленькие, искривляют пространство вокруг себя и одновременно влияют на ход времени. Современные измерения позволяют определить, что в одном месте время идет не так, как в другом. Можно провести эксперимент и обнаружить эту разницу.

Визуализация черной дыры (Фото: NASA)

Черная дыра — это экстремальный способ воздействия на пространство — когда в одном месте собрали так много вещества или энергии, что пространство-время свернулись и образовали специфическую область. Можно говорить, что черная дыра — это объект, но с бытовой точки зрения объект — это что-то имеющее поверхность. Если идти по абсолютно темной комнате, можно наткнуться на стол, это будет объект с началом в конкретной точке.

Если в абсолютно темной комнате или с завязанными глазами попасть в черную дыру, невозможно заметить ее границу. Потому что нет никакой твердой поверхности, человек сразу окажется внутри этой области.

Сергей сравнивает такой переход с государственными или областными границами. Если идти по лесу из одной страны в другую, то без указателей и карт невозможно заметить, в какой точке кончается одно государство и начинается другое. Лес в Финляндии ничем не отличается от леса в России, и нет никакой четкой границы, на которую можно наткнуться. И черная дыра — это такая область, где масса свернула пространство-время, и в итоге никакие предметы не могут ее покинуть, как только пересекут границу. Все, что туда попало, навсегда останется за горизонтом.

Черные дыры интересны в первую очередь как экстремальные объекты. Это максимально скрученное пространство-время, и многие эффекты становятся более заметны вблизи черных дыр. Начинают появляться принципиально новые физические феномены.

Визуализация черной дыры (Фото: NASA)

В теории гравитации стремятся подобраться как можно ближе к этим экстремальным объектам. Поэтому, говорит Сергей, изучение поведения вещества в окрестности черных дыр — очень интересная штука.

Как обнаружить черную дыру

В конце своей жизни массивные звезды могут превращаться в черные дыры. И на этапе, когда только пытались найти первые черные дыры, возник вопрос: как их можно обнаружить. Первая идея была такой: звезды, особенно массивные, нередко рождаются парами.

Одна из таких звезд превращается в черную дыру, и мы перестаем ее видеть. При этом она продолжает существовать. Предполагалось, что мы сможем увидеть вращение соседней звезды вокруг этого невидимого объекта, при помощи вычислений измерить его массу и обнаружить, что в этом месте находится черная дыра.

Сергей Попов рассказывает, что исторически это был первый предложенный способ поиска. С 60-х годов ученые пытались искать их по такому методу, но ничего не обнаружили. Последние пару лет стали появляться возможные кандидаты на звание черных дыр, но ученые пока не уверены, что в паре с обычными звездами находятся именно они.

Визуализация черной дыры (Фото: NASA)

Если опять обратиться к черной дыре, которая соседствует со звездой, то вещество с обычной звезды может перетекать в дыру. Черная дыра своей гравитацией будет засасывать это вещество. Если представить, что в нее одновременно кинули два камня, они могут столкнуться над горизонтом на скорости почти равной скорости света. При таком столкновении выделится много энергии, которую можно заметить.

Но в звездах не камни, а газ. Когда разные слои газа трутся друг о друга, они нагреваются до миллионов градусов, и это тепло можно увидеть. С помощью такого способа в конце 60-х — начале 70-х годов, когда стали запускать первые рентгеновские детекторы в космос, открыли и первые черные дыры.

Визуализация черной дыры рядом со звездой (Фото: NASA)

В начале 60-х годов стало ясно, что есть яркие астрономические объекты — квазары. Дословно— «похожий на звезду радиоисточник». Это активные ядра галактик на начальном этапе развития, в центре которых находятся сверхмассивные черные дыры. Обнаружить их можно даже на очень отдаленных расстояниях. В ходе изучения квазаров стало ясно, что это небольшой источник, который находится в центре далекой галактики и при этом испускает много энергии. Попов рассказывает, что когда ученые открывают квазар, они уверены, что там «сидит» сверхмассивная черная дыра. Сейчас это самый массовый способ открытия черных дыр.

Визуализация квазара (Фото: NASA)

Почти все массивные звезды превращаются в черные дыры, но не все они находятся в двойных системах, или у них нет перетекания. В таком случае дыры ищут другим способом. Сергей рассказывает, что черная дыра сильно искажает пространство-время вокруг себя, но тут важна не столько масса, сколько компактность. Понять это легко, достаточно представить острый предмет. Это предмет с очень маленькой площадью. Если просто ткнуть куда-то пальцем, нельзя проткнуть поверхность, а если с такой же силой надавить на иголку, то проткнется палец, которым на нее давят. Так вот маленькие объекты при той же массе сильнее искривляют пространство-время вокруг себя. Такой эффект называется гравитационным линзированием.

Ученые наблюдают за звездой и вдруг замечают, что ее блеск растет, а потом совершенно симметрично спадает обратно. Со звездой ничего не произошло, но между нами и звездой пролетел массивный объект. И этот массивный объект, искажая пространство-время, собрал световые лучи.

Визуализация черной дыры (Фото: NASA)

Поэтому кажется, будто возрастает светимость звезды, а на самом деле просто больше ее света было собрано и попало к нам. Звезда с массой десять масс Солнца светила бы очень заметно, ученые бы ее не пропустили. А в таких наблюдениях появляется абсолютно темный объект с массой примерно десять солнечных. Что это может быть? Только черная дыра.

Если есть пара черных дыр, то, сливаясь, они будут порождать гравитационно-волновой всплеск. И в 2015 году впервые были обнаружены такие всплески гравитационного излучения. Это последний на сегодняшний день хороший способ поиска черных дыр.

Визуализация двух черных дыр (Фото: NASA)

Как сфотографировать черную дыру

Сергей Попов предлагает вспомнить фильмы или книги о человеке-невидимке. Его не видно, но если он надевает на себя одежду, мы видим одежду. Если пытается скрыться, то можно обсыпать его мукой или заметить следы. Черные дыры изучают примерно тем же способом. Ученые не видят горизонт событий и не видят недра черной дыры, поскольку ничто не может пересечь горизонт обратно в нашу сторону. Но они изучают поведение вещества вокруг.

То, что принято называть фотографией черной дыры, на самом деле — изображение вещества, движущегося вокруг черной дыры. Но в центре действительно возникает темная область, поскольку там находится черная дыра, из которой не может исходить свет.

Первая фотография черной дыры (Фото: NASA)

По большей части черные дыры — маленькие объекты, находящиеся очень далеко от нас. Разглядеть черноту внутри яркой области удалось всего в одном случае. Для качественного снимка нужна была самая большая черная дыра в центре относительно близкой галактики. Дальше встала техническая задача — получить изображение с достаточной детализацией. Ни один телескоп сам по себе не может сделать такое изображение. Но если совместить несколько телескопов и разнести их на большие расстояния, то с точки зрения деталей они будут работать как один большой телескоп. Именно таким способом, при помощи нескольких телескопов, разбросанных почти по всему земному шару, удалось сделать снимок того, что все называют фотографией черной дыры в галактике М87. Такая фотография пока остается единственной.

Галактика М87 (Фото: NASA)

Чтобы получить нечто похожее на снимок от других объектов, ученым нужны новые инструменты. Тем не менее есть прямые данные наблюдения поведения вещества вокруг разных черных дыр, практически вплоть до самого горизонта. До расстояния всего в несколько раз превышающих размер горизонта черной дыры.

Что с вами произойдет внутри черной дыры?

• Аманда Гефтер
• BBC Earth

6 июля 2015

Автор фото, Thinkstock

Возможно, вы думаете, что человека, попавшего в черную дыру, ждет мгновенная смерть. В действительности же его судьба может оказаться намного более удивительной, рассказывает корреспондент BBC Earth.

Что произойдет с вами, если вы попадете внутрь черной дыры? Может быть, вы думаете, что вас раздавит — или, наоборот, разорвет на клочки? Но в действительности все гораздо страннее.

В тот момент, когда вы попадете в черную дыру, реальность разделится надвое. В одной реальности вас мгновенно испепелит, в другой же — вы нырнете вглубь черной дыры живым и невредимым.

Внутри черной дыры не действуют привычные нам законы физики. Согласно Альберту Эйнштейну, гравитация искривляет пространство. Таким образом, при наличии объекта достаточной плотности пространственно-временной континуум вокруг него может деформироваться настолько, что в самой реальности образуется прореха.

Массивная звезда, израсходовавшая все топливо, может превратиться именно в тот тип сверхплотной материи, который необходим для возникновения подобного искривленного участка Вселенной. Звезда, схлопывающаяся под собственной тяжестью, увлекает за собой пространственно-временной континуум вокруг нее. Гравитационное поле становится настолько сильным, что даже свет больше не может из него вырваться. В результате область, в которой ранее находилась звезда, становится абсолютно черной — это и есть черная дыра.

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

Никто точно не знает, что происходит внутри черной дыры

Внешняя поверхность черной дыры называется горизонтом событий. Это сферическая граница, на которой достигается баланс между силой гравитационного поля и усилиями света, пытающегося покинуть черную дыру. Если пересечь горизонт событий, вырваться будет уже невозможно.

Горизонт событий лучится энергией. Благодаря квантовым эффектам, на нем возникают потоки горячих частиц, излучаемых во Вселенную. Это явление называется излучением Хокинга — в честь описавшего его британского физика-теоретика Стивена Хокинга. Несмотря на то, что материя не может вырваться за пределы горизонта событий, черная дыра, тем не менее, «испаряется» — со временем она окончательно потеряет свою массу и исчезнет.

По мере продвижения вглубь черной дыры пространство-время продолжает искривляться и в центре становится бесконечно искривленным. Эта точка известна как гравитационная сингулярность. Пространство и время в ней перестают иметь какое-либо значение, а все известные нам законы физики, для описания которых необходимы эти два понятия, больше не действуют.

Никто не знает, что именно ждет человека, попавшего в центр черной дыры. Иная вселенная? Забвение? Задняя стенка книжного шкафа, как в американском научно-фантастическом фильме «Интерстеллар»? Это загадка.

Давайте порассуждаем — на вашем примере — о том, что произойдет, если случайно попасть в черную дыру. Компанию в этом эксперименте вам составит внешний наблюдатель — назовем его Анной. Итак, Анна, находящаяся на безопасном расстоянии, в ужасе наблюдает за тем, как вы приближаетесь к границе черной дыры. С ее точки зрения события будут развиваться весьма странным образом.

По мере вашего приближения к горизонту событий Анна будет видеть, как вы вытягиваетесь в длину и сужаетесь в ширину, будто она рассматривает вас в гигантскую лупу. Кроме того, чем ближе вы будете подлетать к горизонту событий, тем больше Анне будет казаться, что ваша скорость падает.

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

В центре черной дыры пространство бесконечно искривлено

Вы не сможете докричаться до Анны (поскольку в безвоздушном пространстве звук не передается), но можете попытаться подать ей знак азбукой Морзе при помощи фонарика в вашем iPhone. Однако ваши сигналы будут достигать ее со все возрастающими интервалами, а частота света, испускаемого фонариком, будет смещаться в сторону красного (длинноволнового) участка спектра. Вот как это будет выглядеть: «Порядок, п о р я д о к, п о р я…».

Когда вы достигнете горизонта событий, то, с точки зрения Анны, замрете на месте, как если бы кто-то поставил воспроизведение на паузу. Вы останетесь в неподвижности, растянутым по поверхности горизонта событий, и вас начнет охватывать все возрастающий жар.

С точки зрения Анны, вас будут медленно убивать растяжение пространства, остановка времени и жар излучения Хокинга. Прежде чем вы пересечете горизонт событий и углубитесь в недра черной дыры, от вас останется один пепел.

Но не спешите заказывать панихиду — давайте на время забудем об Анне и посмотрим на эту ужасную сцену с вашей точки зрения. А с вашей точки зрения будет происходить нечто еще более странное, то есть ровным счетом ничего особенного.

Вы летите прямиком в одну из самых зловещих точек Вселенной, не испытывая при этом ни малейшей тряски — не говоря уже о растяжении пространства, замедлении времени или жаре излучения. Все потому, что вы находитесь в состоянии свободного падения и поэтому не чувствуете своего веса — именно это Эйнштейн назвал «самой удачной идеей» своей жизни.

Действительно, горизонт событий — это не кирпичная стена в космосе, а явление, обусловленное точкой зрения наблюдающего. Наблюдатель, остающийся снаружи черной дыры, не может заглянуть внутрь сквозь горизонт событий, но это его проблема, а не ваша. С вашей точки зрения никакого горизонта не существует.

Если бы размеры нашей черной дыры были меньше, вы и правда столкнулись бы с проблемой — гравитация действовала бы на ваше тело неравномерно, и вас вытянуло бы в макаронину. Но, по счастью для вас, данная черная дыра велика — она в миллионы раз массивнее Солнца, так что гравитационная сила достаточно слаба, чтобы можно было ею пренебречь.

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

Вы не можете вернуться и выбраться из черной дыры — точно так же, как никто из нас не способен на путешествие в прошлое

Внутри достаточно крупной черной дыры вы даже сможете вполне нормально прожить остаток жизни, пока не умрете в гравитационной сингулярности.

Вы можете спросить, насколько нормальной может быть жизнь человека, помимо воли увлекаемого к дыре в пространственно-временном континууме без шанса на то, чтобы когда-нибудь выбраться наружу?

Но если вдуматься, нам всем знакомо это ощущение — только применительно ко времени, а не к пространству. Время идет только вперед и никогда вспять, и оно действительно влечет нас за собою помимо нашей воли, не оставляя нам шанса на возвращение в прошлое.

Это не просто аналогия. Черные дыры искривляют пространственно-временной континуум до такой степени, что внутри горизонта событий время и пространство меняются местами. В каком-то смысле вас влечет к сингулярности не пространство, а время. Вы не можете вернуться назад и выбраться из черной дыры — точно так же, как никто из нас не способен на путешествие в прошлое.

Возможно, теперь вы задаетесь вопросом, что же не так с Анной. Вы летите себе в пустом пространстве черной дыры и с вами все в порядке, а она оплакивает вашу гибель, утверждая, что вас испепелило излучение Хокинга с внешней стороны горизонта событий. Уж не галлюцинирует ли она?

В действительности утверждение Анны совершенно справедливо. С ее точки зрения, вас действительно поджарило на горизонте событий. И это не иллюзия. Анна может даже собрать ваш пепел и отослать его вашим родным.

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

Горизонт событий — не кирпичная стена, он проницаем

Дело в том, что, в соответствии с законами квантовой физики, с точки зрения Анны вы не можете пересечь горизонт событий и должны остаться с внешней стороны черной дыры, поскольку информация никогда не теряется безвозвратно. Каждый бит информации, отвечающий за ваше существование, обязан оставаться на внешней поверхности горизонта событий — иначе с точки зрения Анны, будут нарушены законы физики.

С другой стороны, законы физики также требуют, чтобы вы пролетели сквозь горизонт событий живыми и невредимыми, не повстречав на своем пути ни горячих частиц, ни каких-либо иных необычных явлений. В противном случае будет нарушена общая теория относительности.

Итак, законы физики хотят, чтобы вы одновременно находились снаружи черной дыры (в виде горстки пепла) и внутри нее (в целости и сохранности). И еще один немаловажный момент: согласно общим принципам квантовой механики, информацию нельзя клонировать. Вам нужно находиться в двух местах одновременно, но при этом лишь в одном экземпляре.

Такое парадоксальное явление физики называют термином «исчезновение информации в черной дыре». По счастью, в 1990-х гг. ученым удалось этот парадокс разрешить.

Американский физик Леонард Зюсскинд понял, что никакого парадокса на самом деле нет, поскольку никто не увидит вашего клонирования. Анна будет наблюдать за одним вашим экземпляром, а вы — за другим. Вы с Анной никогда больше не встретитесь и не сможете сравнить наблюдения. А третьего наблюдателя, который мог бы наблюдать за вами как снаружи, так и изнутри черной дыры одновременно, не существует. Таким образом, законы физики не нарушаются.

Разве что вы захотите узнать, какой из ваших экземпляров реален, а какой нет. Живы вы в действительности или умерли?

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

Пролетит ли человек сквозь горизонт событий целым и невредимым или врежется в огненную стену?

Дело в том, что никакого «в действительности» нет. Реальность зависит от наблюдателя. Существует «в действительности» с точки зрения Анны и «в действительности» с вашей точки зрения. Вот и всё.

Почти всё. Летом 2012 г. физики Ахмед Альмхеири, Дональд Маролф, Джо Полчински и Джеймс Салли, коллективно известные под английской аббревиатурой из первых букв своих фамилий как AMPS, предложили мысленный эксперимент, который грозил перевернуть наше представление о черных дырах.

По словам ученых, разрешение противоречия, предложенное Зюсскиндом, основывается на том, что разногласие в оценке происходящего между вами и Анной опосредовано горизонтом событий. Неважно, действительно ли Анна видела, как один из двух ваших экземпляров погиб в огне излучения Хокинга, поскольку горизонт событий не давал ей увидеть ваш второй экземпляр, улетающей вглубь черной дыры.

Но что, если бы у Анны имелся способ узнать, что происходит по ту сторону горизонта событий, не пересекая его?

Общая теория относительности говорит нам, что это невозможно, но квантовая механика слегка размывает жесткие правила. Анна могла бы одним глазком заглянуть за горизонт событий при помощи того, что Эйнштейн называл «жутким дальнодействием».

Речь идет о квантовой запутанности — явлении, при котором квантовые состояния двух или более частиц, разделенных пространством, загадочным образом оказываются взаимозависимыми. Эти частицы теперь формируют единое и неделимое целое, а информация, необходимая для описания этого целого, заключена не в той или иной частице, а во взаимосвязи между ними.

Идея, выдвинутая AMPS, звучит следующим образом. Предположим, Анна берет частицу поблизости от горизонта событий — назовем ее частицей A.

Если ее версия произошедшего с вами соответствует действительности, то есть вас убило излучение Хокинга с внешней стороны черной дыры, значит, частица A должна быть взаимосвязана с другой частицей — B, которая также должна находиться с внешней стороны горизонта событий.

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

Черные дыры могут притягивать к себе материю близлежащих звезд

Если действительности соответствует ваше видение событий, и вы живы-здоровы с внутренней стороны, тогда частица A должна быть взаимосвязана с частицей C, находящейся где-то внутри черной дыры.

Прелесть этой теории заключается в том, что каждая из частиц может быть взаимосвязана только с одной другой частицей. Это значит, что частица A связана или с частицей B, или с частицей C, но не с обеими одновременно.

Итак, Анна берет свою частицу A и пропускает ее через имеющуюся у нее машинку для расшифровки запутанности, которая дает ответ — связана ли эта частица с частицей B или с частицей C.

Если ответ — C, ваша точка зрения восторжествовала в нарушение законов квантовой механики. Если частица A связана с частицей C, находящейся в недрах черной дыры, то информация, описывающая их взаимозависимость, оказывается навсегда утерянной для Анны, что противоречит квантовому закону, согласно которому информация никогда не теряется.

Если же ответ — B, то, вопреки принципам общей теории относительности, права Анна. Если частица A связана с частицей B, вас действительно испепелило излучение Хокинга. Вместо того, чтобы пролететь сквозь горизонт событий, как того требует теория относительности, вы врезались в стену огня.

Итак, мы вернулись к вопросу, с которого начинали — что произойдет с человеком, попавшим внутрь черной дыры? Пролетит ли он сквозь горизонт событий целым и невредимым благодаря реальности, которая удивительным образом зависит от наблюдателя, или врежется в огненную стену (black holes firewall, не путать с компьютерным термином firewall, «брандмауэр», программным обеспечением, защищающим ваш компьютер в сети от несанкционированного вторжения – Ред. )?

Никто не знает ответа на этот вопрос, один из самых спорных вопросов теоретической физики.

Уже свыше 100 лет ученые пытаются примирить принципы общей теории относительности и квантовой физики в надежде на то, что в конце концов та или другая возобладает. Разрешение парадокса «огненной стены» должно ответить на вопрос, какие из принципов взяли верх, и помочь физикам создать всеобъемлющую теорию.

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

А может, в следующий раз отправить в черную дыру Анну?

Решение парадокса исчезновения информации может крыться в дешифровальной машинке Анны. Определить, с какой именно другой частицей взаимосвязана частица A, чрезвычайно трудно. Физики Дэниэл Харлоу из Принстонского университета в Нью-Джерси и Патрик Хайден, который сейчас работает в калифорнийском Стэнфордском университете в Калифорнии, задались вопросом, сколько на это потребуется времени.

В 2013 г. они подсчитали, что даже при помощи наибыстрейшего компьютера, который возможно создать в соответствии с физическими законами, Анне потребовалось бы чрезвычайно много времени на то, чтобы расшифровать взаимосвязь между частицами — настолько много, что к тому моменту, как она получит ответ, черная дыра давным-давно испарится.

Если это так, вероятно, Анне просто не суждено когда-либо узнать, чья точка зрения соответствует действительности. В этом случае обе истории останутся одновременно правдивыми, реальность — зависящей от наблюдателя, и ни один из законов физики не будет нарушен.

Кроме того, связь между сверхсложными вычислениями (на которые наш наблюдатель, по всей видимости, не способен) и пространственно-временным континуумом может натолкнуть физиков на какие-то новые теоретические размышления.

Таким образом, черные дыры — не просто опасные объекты на пути межзвездных экспедиций, но и теоретические лаборатории, в которых малейшие вариации в физических законах вырастают до таких размеров, что ими уже невозможно пренебречь.

Если где-то и таится истинная природа реальности, искать ее лучше всего в черных дырах. Но пока у нас нет четкого понимания того, насколько безопасен для человека горизонт событий, наблюдать за поисками безопаснее все же снаружи. В крайнем случае можно в следующий раз отправить в черную дыру Анну — теперь ее очередь.

Черные дыры — самые страшные объекты во Вселенной / Хабр

Хэллоуин — время призраков, гоблинов и упырей, но нет ничего страшнее во Вселенной, чем черные дыры.

Черные дыры — области в космосе, где гравитация настолько сильна, что ничто не сможет вырваться. Половина Нобелевской премии по физике 2020 года была присуждена Роджеру Пенроузу за математическую работу, показывающую, что черные дыры являются неизбежным следствием теории гравитации Эйнштейна. Вторую половину разделили Андреа Гэз и Райнхард Генцель, показав, что массивная черная дыра находится в центре нашей галактики.

Черные дыры пугают по трем причинам:

1. Если вы упадете в черную дыру, оставшуюся после гибели звезды, вас разорвет на куски.

2. У массивных черных дыр в центре галактик ненасытный аппетит. 

3. Черные дыры — это места, где нарушаются законы физики.

Я изучаю черные дыры более 30 лет.  В частности, сверхмассивные, которые скрываются в центре галактик. Большую часть времени они неактивны, но когда активны и пожирают звезды и газ, область около черной дыры может затмить всю галактику, в которой она находится. Галактики, в которых активны черные дыры, называются квазарами. Несмотря на все данные об этих объектах, полученные за последние десятилетия, мы еще многого не знаем.

Смерть от черной дыры

Считается, что черные дыры образуются при гибели массивной звезды. После того, как ядерное топливо звезды исчерпано, ее ядро ​​схлопывается до самого плотного состояния материи, которое только можно вообразить — в сто раз более плотного, чем атомное ядро. Оно настолько плотное, что протоны, нейтроны и электроны больше не являются дискретными частицами. Поскольку черные дыры темные, их обнаруживают, когда они вращаются вокруг нормальной звезды. Ее свойства позволяют астрономам делать выводы о свойствах ее компаньона, черной дыры.

Cygnus X-1

Первой подтвержденной черной дырой стал Cygnus X-1  — самый яркий источник рентгеновского излучения в созвездии Cygnus.  С тех пор было найдено около 50 черных дыр в системах, где обычная звезда вращается вокруг черной дыры. Это ближайшие примеры из предполагаемых 10 миллионов, рассеяных по Млечному Пути.

Черные дыры — могилы материи. Ничто не может избежать их, даже свет. Судьбой тех, кто упадет в черную дыру станет спагеттификация, идею которой популяризировал Стивен Хокинг в книге «Краткая история времени». При спагеттификации гравитация черной дыры разорвала бы вас на части, разделив кости, мышцы, сухожилия и даже молекулы. Как поэт Данте описал слова над вратами ада в «Божественной комедии»: «Оставь надежду, всяк сюда входящий».

Голодный зверь в каждой галактике

Наблюдения с помощью космического телескопа Хаббл за последние 30 лет показали, что все галактики имеют черные дыры в центре.

Природа знает, как создавать черные дыры ошеломляющего диапазона масс — от мертвых звезд, в несколько раз превышающих массу Солнца, до монстров, в десятки миллиардов раз массивнее. Это похоже на разницу между яблоком и Великой пирамидой в Гизе.

Буквально в прошлом году астрономы опубликовали первое в истории изображение черной дыры и ее горизонта событий — зверя с массой 7 миллиардов солнечных масс в центре эллиптической галактики M87.

Черная дыра в галактике M87

Это более чем в тысячу раз крупнее черной дыры в нашей галактике, первооткрыватели которой получили в этом году Нобелевскую премию. Эти черные дыры большую часть времени темные, но когда их гравитация притягивает близлежащие звезды и газ, они вспыхивают, вызывая интенсивную активность и выбрасывая огромное количество излучения. 

Массивные черные дыры опасны по двум причинам:

1. Если вы подойдете слишком близко, огромная гравитация поглотит вас. 

2. Если они находятся в активной фазе квазара, вы будете поражены излучением энергии.

Насколько ярок квазар? Представьте, что вы парите над большим городом, например, над Лос-Анджелесом ночью. Примерно 100 миллионов огней от автомобилей, домов и улиц города соответствуют звездам в галактике.  По этой аналогии черная дыра в активном состоянии подобна источнику света диаметром 1 дюйм в центре Лос-Анджелеса, который затмевает город в сотни или тысячи раз. Квазары — самые яркие объекты во Вселенной.

Странные сверхмассивные черные дыры

Самая большая обнаруженная черная дыра весит в 40 миллиардов раз больше массы Солнца, или в 20 раз больше Млечного Пути. В то время как внешние планеты в нашей Солнечной системе обращаются по орбите один раз в 250 лет, этот гораздо более массивный объект вращается раз в три месяца. Его внешний край движется со скоростью вдвое меньше скорости света. 

Как и другие черные дыры, крупные скрыты от глаз горизонтом событий. В их центрах находится сингулярность — точка в пространстве, где плотность бесконечна. Мы не можем понять внутреннюю часть черной дыры, потому что законы физики нарушаются: время замирает на горизонте событий, а в сингулярности гравитация становится бесконечной.

Хорошая новость о массивных черных дырах заключается в том, что вы можете выжить, попав в одну из них.  Их гравитация сильнее, но сила растяжения слабее, чем у маленькой черной дыры, и она не убьет вас. Плохая новость в том, что горизонт событий отмечает край пропасти. Ничто не может ускользнуть из-за горизонта событий, поэтому вы не сможете убежать и рассказать о своем путешествии.

По словам Стивена Хокинга, черные дыры медленно испаряются. В далеком будущем Вселенной, спустя много времени после того, как все звезды умрут и галактики исчезнут из поля зрения ускоряющегося космического расширения, черные дыры будут последними выжившими объектами.

Самым массивным черным дырам потребуется невообразимое количество лет, чтобы испариться. По оценкам, 10 в сотой степени или 10 со 100 нулями после него. Самые страшные объекты во Вселенной почти вечны.

Черная дыра. Что это такое?

Черные дыры, темная материя, темное вещество… Это, несомненно, самые странные и загадочные объекты в космосе. Их причудливые свойства могут бросить вызов законам физики Вселенной и даже природе существующей действительности. Чтобы понять, что же такое черные дыры, ученые предлагают “сменить ориентиры”, научиться думать нестандартно и применить немного фантазии. Черные дыры образуются из ядер супер массивных звёзд, которые можно охарактеризовать как область пространства, где огромная масса сосредоточенна в пустоте, и ничего, даже свет не может там избежать гравитационного притяжения. Это та область, где вторая космическая скорость превышает скорость света: И чем более массивен объект движения, тем быстрее он должен двигаться для того, чтобы избавиться от силы своей тяжести. Это известно как вторая космическая скорость.

Энциклопедия Кольера называет черными дырами область в пространстве, возникшую в результате полного гравитационного коллапса вещества, в которой гравитационное притяжение так велико, что ни вещество, ни свет, ни другие носители информации не могут ее покинуть. Поэтому внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной; происходящие внутри черной дыры физические процессы не могут влиять на процессы вне ее. Черная дыра окружена поверхностью со свойством однонаправленной мембраны: вещество и излучение свободно падает сквозь нее в черную дыру, но оттуда ничто не может выйти. Эту поверхность называют “горизонтом событий”.

История открытия

Черные дыры, предсказанные общей теорией относительности (теорией гравитации, предложенной Эйнштейном в 1915) и другими, более современными теориями тяготения, были математически обоснованы Р.Оппенгеймером и Х. Снайдером в 1939. Но свойства пространства и времени в окрестности этих объектов оказались столь необычными, что астрономы и физики в течение 25 лет не относились к ним серьезно. Однако астрономические открытия в середине 1960-х годов заставили взглянуть на черные дыры как на возможную физическую реальность. Новые открытия и изучение может принципиально изменить наши представления о пространстве и времени, проливая свет на миллиарды космических тайн.

Образование черных дыр

Пока в недрах звезды происходят термоядерные реакции, они поддерживают высокую температуру и давление, препятствуя сжатию звезды под действием собственной гравитации. Однако со временем ядерное топливо истощается, и звезда начинает сжиматься. Расчеты показывают, что если масса звезды не превосходит трех масс Солнца, то она выиграет “битву с гравитацией”: ее гравитационный коллапс будет остановлен давлением “вырожденного” вещества, и звезда навсегда превратится в белый карлик или нейтронную звезду. Но если масса звезды более трех солнечных, то уже ничто не сможет остановить ее катастрофического коллапса и она быстро уйдет под горизонт событий, став черной дырой.

Черная дыра – дырка от бублика?

То, что не излучает свет, заметить непросто. Одним из способов поиска черной дыры является поиск областей в открытом космосе, которые обладают большой массой и находятся в темном пространстве. При поиске подобных типов объектов астрономы обнаружили их в двух основных областях: в центрах галактик и в двойных звездных системах нашей Галактики. Всего же, как предполагают учёные, существует десятки миллионов таких объектов.

В настоящее время единственный достоверный способ отличить чёрную дыру от объекта другого типа состоит в том, чтобы измерить массу и размеры объекта и сравнить его радиус с гравитационным радиусом

В ЦЕРНе начнут охоту за темной материей

Что такое чёрная дыра

Если Солнце когда-нибудь станет таким телом, то его необходимо сжать до радиуса всего 9 км, а Землю и вовсе нужно сжать до размеров горошины.

Теория струн допускает рождение чёрных дыр микроскопических размеров от столкновения двух частиц (например, протонов). При ударе возможно их сильное сжатие, достаточное для появления микроскопической черной дыры, но время жизни её ничтожно и опасности она не представляет. Большой взрыв вполне мог способствовать появлению этих объектов, потому что тогда плотность материи была очень высокой. Но небольшие дыры наверняка испарились, теряя массу посредством излучений и потоков частиц. До наших времён могли дожить лишь тела, массы которых были больше 10¹² кг. Нынешний размер таких объектов сопоставим с протоном или нейтроном.

Горизонт событий

Чёрные дыры создают невероятные гравитационные поля, поэтому пространство и времени возле них сильно искажается.

Горизонтом событий называют границу, из которой не могут вырваться объекты даже со скоростью света. За очень малое время вещество за горизонтом событий сжимается в точку – сингулярность.

В ней плотность и тяготение принимают бесконечные значения. Но всё это верно для обычного, макромира. Микромир ещё не имеет своей теории гравитации.

Что внутри чёрной дыры

Установлено, что внутри черной дыры — сингулярность. У нас пока нет инструментов для изучения этих объектов, зато есть пара увлекательных видеороликов 🙂

Интересные факты

• Время возле чёрных дыр протекает медленнее, нежели вдали от них.  Если наблюдать за предметом, брошенным в этот объект, то движение предмета будет замедляться, а видимость его ослабляться. В конце он остановится и станет невидимым. Но если наблюдатель сам прыгнет туда, то мгновенно упадёт в центр дыры, а гравитационные силы разорвут его моментально. А увидит он всю жизнь вселенной, от рождения до смерти.
• Интересное свойство — после преодоления горизонта событий: чем сильнее вы будете сопротивляться гравитации чёрной дыры и стремиться улететь подальше, тем быстрее вы упадёте в неё. Тяжело себе такое представить, согласитесь…
• Неважно, что из себя представляло тело до сжатия, после этого процесса можно исследовать лишь три его параметра. Это электрический заряд, полная масса и момент импульса. Невозможно установить исходные параметры чёрной дыры – её форму, цвет, состав вещества.
• Всё, попадающее за горизонт событий, обязательно падает к центру, где находится сингулярность, имеющая бесконечную плотность. Это место, где уже не работают законы физики и классические концепции пространства и времени.
• Стивен Хоккинг сумел открыть испарения чёрных дыр. Крупные дыры будут испаряться очень долго —  десятки и сотни миллиардов лет, а микроскопические — за доли секунды. Гипотетическое испарение, или испускание фотонов называют излучением Хокинга. Этот процесс имеет чисто теоретическое обоснование. Согласно теории, черные дыры образовавшиеся при рождении Вселенной и имеющие массы 10¹²кг, к нашему времени должны полностью испариться. Поскольку интенсивность испарения возрастает с уменьшением размера, то этот процесс должен закончиться взрывом. Пока такие взрывы астрономами не наблюдались.
• Классическая теория гравитации предполагает, что черную дыру невозможно ни уменьшить, ни уничтожить. Она может только увеличиваться. Из этого следует, что информация, попавшая внутрь недоступна для наружного наблюдателя.
• Никто не знает наверняка, что мы увидим, приблизившись к чёрной дыре. Но вполне возможно, что она не такая и чёрная. Вещество, летящее на её поверхность, разгоняется и разогревается, и, перед тем, как нырнуть за горизонт событий, должно светиться. Поэтому перед нами будет не круглый тёмный вырез в пространстве, а сияющий ореол, немного похожий на солнце в момент его полного затмения.

Сверхмассивные чёрные дыры

Все галактики имеют в своём центре чёрные дыры, включая и нашу. Такие выводы сделаны на основании наблюдений движения межзвёздного газа и близких звезд. Расчёты показывают, что объекты в центре галактики должны иметь громадные массы при небольших размерах. Получается, что центр любой галактики и есть чёрная дыра. И массы их – миллионы и миллиарды масс Солнца. Все наблюдаемые звёздные системы со свойствами чёрных дыр имеют массы 4 – 16 солнечных.

В нашей галактике за 12 млрд. лет её жизни должны были образоваться десятки миллионов этих суперплотных объектов. Астрономические наблюдения это подтверждают, но природа появления таких сверхгигантских чёрных дыр пока не ясна.

Столкновение чёрных дыр

Если две чёрные дыры столкнутся, то должно произойти их слияние. Это событие будет сопровождаться излучением гравитационных волн.  По величине такая энергия составит несколько процентов от суммарной массы дыр. И существование гравитационных волн было доказано в обсерватории LIGOLIGO — лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория.Главная задача LIGO — экспериментальное обнаружение гравитационных волн космического происхождения. Эти волны впервые были предсказаны в общей теории относительности Эйнштейна в 1916 году, когда ещё не существовало технологий, необходимых для их обнаружения.

Многие сигналы — колебания звезд, еще какие-то — переводят в звуковую форму. Вот так жутковато выглядит звук слияния двух чёрных дыр:

Как их обнаружить

Обнаружить чёрную дыру возможно, если она входит в состав двойной системы, Например, в двойной системе одна из звезд взрывается, превращаясь в сверхновую. На оставшуюся звезду будет действовать гравитация соседки, следовательно вещество из звезды будет перетекать в чёрную дыру (она буквально будет «пожирать» звезду).

Вещество со звезды закрутится в спираль вокруг черной дыры, произойдёт его  сильное уплотнение и разогрев. Нагрев будет продолжаться до возникновения волнового излучения в рентгеновском диапазоне, по характеру которого и можно понять параметры объекта. Также, черная дыра, пролетая возле звезды, отклоняет ее с обычной траектории своей колоссальной гравитацией, тем самым выявляя себя. Чёрные дыры, не имеющие напарника-звезду, также существуют в теоретических расчётах.

Как изучают

Изучают черные дыры в основном при помощи математического моделирования и физики. Если теоретические выкладки согласуются с наблюдениями и не противоречат доказанным фактам, гипотеза превращается в общепризнанную теорию. Вот видео где это подробно рассмотрено:

Ученые объяснили, как возникли сверхмассивные черные дыры

https://ria.ru/20210617/dyry-1737427892.html

Ученые объяснили, как возникли сверхмассивные черные дыры

Ученые объяснили, как возникли сверхмассивные черные дыры — РИА Новости, 17.06.2021

Ученые объяснили, как возникли сверхмассивные черные дыры

Американские ученые предложили оригинальную гипотезу образования сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной. Авторы статьи, опубликованной в журнале… РИА Новости, 17.06.2021

2021-06-17T16:24

2021-06-17T16:24

2021-06-17T16:41

наука

сша

космос — риа наука

физика

астрофизика

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21. img.ria.ru/images/92517/02/925170253_0:0:4400:2475_1920x0_80_0_0_250527c47b8b6f6dd28c084001b2f194.jpg

МОСКВА, 17 июн — РИА Новости. Американские ученые предложили оригинальную гипотезу образования сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной. Авторы статьи, опубликованной в журнале Astrophysical Journal Letters, считают, что эти гигантские объекты возникли в результате коллапса гало темной материи.Сверхмассивные черные дыры — это черные дыры, масса которых в несколько миллионов или миллиардов раз превышает массу Солнца. Такие объекты расположены в центре многих галактик, включая Млечный Путь. Астрофизические наблюдения показывают, что сверхмассивные черные дыры существовали в нашей Вселенной практически с самого начала, древнейшие из них имеют возраст 13,7 миллиарда лет. При этом общий возраст Вселенной составляет 13,799 миллиарда лет. До сих пор ученые не могут однозначно объяснить, как за столь короткое время смогли появиться такие массивные объекты.Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде и Института космологической физики Чикагского университета представили модель, согласно которой массивные черные дыры могли образоваться в результате самовзаимодействия частиц темной материи. Хотя темная материя пока не обнаружена в явном виде, физики уверены, что она составляет до 85 процентов материальной части Вселенной. Ее невидимый ореол — гало — окружает галактики и скопления галактик. Ученые считают, что, если бы видимая материя галактики не была заключена в гало темной материи, она моментально разлетелась бы в разные стороны.»Физики недоумевают, почему сверхмассивные черные дыры, расположенные в центральных областях гало темной материи, так сильно выросли за короткое время, — приводятся в пресс-релизе Калифорнийского университета в Риверсайде слова руководителя исследования доцента физики и астрономии Хай-Бо Ю (Hai-Bo Yu). — Это как если бы пятилетний ребенок весил, скажем, 90 килограммов. Такой ребенок удивил бы всех, потому что мы знаем типичный вес новорожденного и скорость его роста. Также и у физиков есть общие представления относительно массы зародышевой черной дыры и скорости ее роста. Наличие молодых сверхмассивных черных дыр говорит о том, что существующие представления неверны». По словам ученых, здесь могут быть два объяснения: либо зародыши черных дыр сразу очень большие, либо черные дыры растут намного быстрее, чем думали.»Черным дырам требуется время, чтобы стать массивными за счет аккреции окружающей материи, — объясняет еще один автор статьи, И-Мин Чжун из Чикагского университета. — Наша модель показывает, что если темная материя взаимодействует сама с собой, то гравитермический коллапс гало может привести к образованию достаточно массивного зародыша черной дыры. При этом скорость ее роста будет соответствовать общим ожиданиям».До сих пор считали, что сверхмассивные черные дыры формируются в процессе коллапса чистого газа в протогалактиках ранней Вселенной. Однако этот механизм не может привести к созданию массивного зародыша, поэтому предполагает, что сверхвысокой была скорость роста.»Наша работа предлагает альтернативное объяснение: самовзаимодействующий ореол темной материи испытывает гравитермическую нестабильность, и его центральная область коллапсирует в зародышевую черную дыру, — объясняет Ю. — Преимущество нашего сценария в том, что масса зародышевой черной дыры может быть высокой, поскольку она создается в результате коллапса гало темной материи. Таким образом, он может вырасти в сверхмассивную черную дыру за относительно короткий промежуток времени».Согласно гипотезе авторов, частицы темной материи сначала группируются вместе под действием силы тяжести и образуют ореол темной материи, на который действуют две конкурирующие силы — гравитация и давление. В то время как гравитация притягивает частицы темной материи внутрь, давление выталкивает их наружу. Если частицы темной материи не взаимодействуют друг с другом, то по мере того, как гравитация тянет их к центральному гало, они становятся более горячими, то есть движутся быстрее, давление эффективно увеличивается, и они отскакивают. При взаимодействии они, наоборот, притягиваются, и в какой-то момент гало схлопывается до особого состояния — зародышевой черной дыры.

https://ria.ru/20210416/dyra-1728544012.html

https://ria. ru/20210329/astrofizika-1603339774.html

сша

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2021

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdnn21.img.ria.ru/images/92517/02/925170253_550:0:3850:2475_1920x0_80_0_0_2d6ea67f38cc07beb5e3211f95b1509d.jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

internet-group@rian. ru

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

сша, космос — риа наука, физика, астрофизика

МОСКВА, 17 июн — РИА Новости. Американские ученые предложили оригинальную гипотезу образования сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной. Авторы статьи, опубликованной в журнале Astrophysical Journal Letters, считают, что эти гигантские объекты возникли в результате коллапса гало темной материи.

Сверхмассивные черные дыры — это черные дыры, масса которых в несколько миллионов или миллиардов раз превышает массу Солнца. Такие объекты расположены в центре многих галактик, включая Млечный Путь.

Астрофизические наблюдения показывают, что сверхмассивные черные дыры существовали в нашей Вселенной практически с самого начала, древнейшие из них имеют возраст 13,7 миллиарда лет. При этом общий возраст Вселенной составляет 13,799 миллиарда лет. До сих пор ученые не могут однозначно объяснить, как за столь короткое время смогли появиться такие массивные объекты.

Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде и Института космологической физики Чикагского университета представили модель, согласно которой массивные черные дыры могли образоваться в результате самовзаимодействия частиц темной материи.

Хотя темная материя пока не обнаружена в явном виде, физики уверены, что она составляет до 85 процентов материальной части Вселенной. Ее невидимый ореол — гало — окружает галактики и скопления галактик. Ученые считают, что, если бы видимая материя галактики не была заключена в гало темной материи, она моментально разлетелась бы в разные стороны.

16 апреля 2021, 11:49НаукаСоздана первая визуализация двойной черной дыры

«Физики недоумевают, почему сверхмассивные черные дыры, расположенные в центральных областях гало темной материи, так сильно выросли за короткое время, — приводятся в пресс-релизе Калифорнийского университета в Риверсайде слова руководителя исследования доцента физики и астрономии Хай-Бо Ю (Hai-Bo Yu). — Это как если бы пятилетний ребенок весил, скажем, 90 килограммов. Такой ребенок удивил бы всех, потому что мы знаем типичный вес новорожденного и скорость его роста. Также и у физиков есть общие представления относительно массы зародышевой черной дыры и скорости ее роста. Наличие молодых сверхмассивных черных дыр говорит о том, что существующие представления неверны».

По словам ученых, здесь могут быть два объяснения: либо зародыши черных дыр сразу очень большие, либо черные дыры растут намного быстрее, чем думали.

«Черным дырам требуется время, чтобы стать массивными за счет аккреции окружающей материи, — объясняет еще один автор статьи, И-Мин Чжун из Чикагского университета. — Наша модель показывает, что если темная материя взаимодействует сама с собой, то гравитермический коллапс гало может привести к образованию достаточно массивного зародыша черной дыры. При этом скорость ее роста будет соответствовать общим ожиданиям».

До сих пор считали, что сверхмассивные черные дыры формируются в процессе коллапса чистого газа в протогалактиках ранней Вселенной. Однако этот механизм не может привести к созданию массивного зародыша, поэтому предполагает, что сверхвысокой была скорость роста.

«Наша работа предлагает альтернативное объяснение: самовзаимодействующий ореол темной материи испытывает гравитермическую нестабильность, и его центральная область коллапсирует в зародышевую черную дыру, — объясняет Ю. — Преимущество нашего сценария в том, что масса зародышевой черной дыры может быть высокой, поскольку она создается в результате коллапса гало темной материи. Таким образом, он может вырасти в сверхмассивную черную дыру за относительно короткий промежуток времени».

29 марта 2021, 18:00НаукаОбнаружена первая черная дыра промежуточной массы

Согласно гипотезе авторов, частицы темной материи сначала группируются вместе под действием силы тяжести и образуют ореол темной материи, на который действуют две конкурирующие силы — гравитация и давление. В то время как гравитация притягивает частицы темной материи внутрь, давление выталкивает их наружу. Если частицы темной материи не взаимодействуют друг с другом, то по мере того, как гравитация тянет их к центральному гало, они становятся более горячими, то есть движутся быстрее, давление эффективно увеличивается, и они отскакивают. При взаимодействии они, наоборот, притягиваются, и в какой-то момент гало схлопывается до особого состояния — зародышевой черной дыры.

Черных дыр больше нет? | НИИЯФ МГУ

infuture.ru
Источник: www.infuture.ru

Физики объявили, что нет никаких черных дыр. Это утверждение сделал не кто иной, как Стивен Хокинг (Stephen Hawking), так не означает ли это, что черных дыр больше нет? Это зависит от того, является ли новая идея Хокинга правдой, и от того, что предполагается под выражением «черная дыра». Заявление основано на новой работе Хокинга, утверждающей, что «горизонта событий» черной дыры не существует.
Под горизонтом событий черной дыры подразумевается точка невозврата при приближении к черной дыре. В общей теории относительности Эйнштейна, горизонт событий – это место, где пространство и время настолько деформированы под воздействием силы тяжести, что вы никогда не сможете оттуда уйти. Пересекая горизонт событий, вы можете двигаться только внутрь, никогда наружу. Однако односторонний горизонт событий приводит к тому, что известно как информационный парадокс.

Информационный парадокс берет начало в термодинамике, в частности во втором ее законе. В простейшей форме его можно объяснить, как «тепло переносится от горячего тела к холодному». Но закон более полезен, когда выражен в терминах энтропии. Таким образом, он формулируется как «энтропия системы не может уменьшаться». Многие люди интерпретируют энтропию, как уровень беспорядка в системе, или непригодную часть системы. Это означало бы, что вещи всегда должны становиться менее полезными с течением времени. Но энтропия зависит от уровня информации, необходимой для описания системы. Упорядоченную систему (например, шарики равномерно распределены по решетке) легко описать, так как объекты имеют простые связи друг с другом. С другой стороны, неупорядоченная система (шарики распределены беспорядочно) займет больше информации для описания, потому что это не простой шаблон на них. Таким образом, когда второй закон гласит, что энтропия никогда не может уменьшаться, предполагается, что физическая информация системы не может уменьшаться. Другими словами, информация не может быть уничтожена.

Проблема горизонта событий состоит в том, что вы могли бы бросить объект (с большой долей энтропии) в черную дыру, и энтропия должна просто уйти. Другими словами, энтропия Вселенной получится меньше, что будет нарушать второй закон термодинамики. Конечно, это не принимает во внимание квантовые эффекты, именно те, которые известны как излучение Хокинга, впервые предложенные Стивеном Хокингом в 1974 году.

Оригинальная идея излучения Хокинга связана с принципом неопределенности в квантовой теории. В квантовой теории есть пределы тому, что может быть известно об объекте. Например, вы не можете знать точно энергию объекта. Из-за этой неопределенности, энергия системы может колебаться спонтанно, при условии, что ее средний показатель остается неизменным. Хокинг показал, что вблизи горизонта событий черной дыры пары частиц могут появиться, когда одна частица оказывается в ловушке внутри горизонта событий (немного снижая массу черной дыры), а другая может избежать этого, в виде излучения (унося немного энергии черной дыры).

Так как эти квантовые частицы появляются парами, они «спутанны» (связаны в квантовом смысле). Это не имеет большого значения, если вы не хотите, чтобы излучение Хокинга излучало информацию, содержащуюся внутри черной дыры. В первоначальной формулировке Хокинга, частицы появились случайно, поэтому излучение, исходящие от черной дыры, было чисто случайным. Таким образом, излучение Хокинга не позволит вам восстановить любую захваченную информацию.

Чтобы разрешить излучению Хокинга вынести информацию из черной дыры, запутанная связь между парами частиц должна быть разбита на горизонте событий, поэтому частицы смогут затеряться с информационно-несущими веществами внутри черной дыры. Это нарушение первоначальной запутанности должно сделать выделяющиеся частицы проявляющимися, подобно интенсивной «огненной стене» на поверхности горизонта событий. Это означало бы, что все, направляющееся к черной дыре, не будет попадать в черную дыру. Вместо этого оно будет испаряться излучением Хокинга, когда достигнет горизонта событий. Казалось бы, что либо физическая информация объекта теряется, когда он падает в черную дыру (информационный парадокс), или объекты испаряются перед входом в нее (парадокс огненной стены).

В этой новой работе, Хокинг предлагает другой подход. Он утверждает, что вместо гравитационной деформации космоса и времени в горизонте событий, квантовые флуктуации излучения Хокинга создают слой турбулентности в этом регионе. Таким образом, вместо резкого горизонта событий, черная дыра будет иметь «кажущийся горизонт», который выглядит как горизонт событий, но позволяет информации просачиваться.

Если Стивен Хокинг прав, то он может разрешить парадокс информации/огненной стены, который преследует теоретическую физику. Черные дыры все еще существуют в астрофизическом смысле (одна в центре нашей галактики никуда не денется), но они будут лишены горизонта событий. Следует подчеркнуть, что работа Хокинга не рецензируемая, и ей немного не хватает деталей. Это, скорее, презентация идеи, а не детальное решения парадокса. Дальнейшие исследования будут необходимы, чтобы определить, станет ли эта идея решением, которое так долго искали.

Спасение черной дыры! | Космическое пространство НАСА — Наука НАСА для детей

Отказ от ответственности: этот материал хранится в сети в исторических целях. Хотя он точен на момент публикации, он больше не обновляется. Страница может содержать неработающие ссылки или устаревшую информацию, а некоторые ее части могут не работать в текущих веб-браузерах.

Что такое черные дыры?

Художественное представление о черной дыре, вокруг которой быстро кружатся газ и пыль, прежде чем их притянет мощное гравитационное поле.Вы не можете увидеть саму черную дыру.

Черные дыры на самом деле вовсе не дыры. Они противоположны пустым! Черные дыры содержат больше всего материи, занимая наименьшее пространство среди всех объектов во Вселенной. Поскольку они такие компактные, у них очень сильная гравитация.

Здесь, на Земле, гравитация заставляет вещи падать, а не просто уплывать, когда вы их отпускаете. Гравитация — это то, что вы измеряете, когда встаете на весы, чтобы взвесить себя. Ваш вес – это количество силы, с которой на вас действует гравитация Земли.Чем больше материи содержит ваше тело, тем больше вы весите. Точно так же, чем больше материи в объекте, тем сильнее его гравитация.

Гравитация черной дыры настолько сильна, что даже свет не может покинуть ее. Даже если яркая звезда сияет рядом с черной дырой, вы не можете увидеть черную дыру. Вместо того, чтобы отражать свет, как это делают другие объекты, черная дыра просто навсегда поглощает звездный свет. Любая материя, которая подходит слишком близко к черной дыре, также поглощается.

Существует как минимум два вида черных дыр

Один вид называется черной дырой звездной массы.Вы можете думать об этом как о черной дыре «одна большая звезда». Этот тип черной дыры образуется, когда большая звезда сжигает все свое топливо и взрывается (называется сверхновой). Затем то, что осталось, схлопывается в сверхкомпактный объект — черную дыру. Чтобы это произошло, звезды должны содержать немного больше материи, чем наше Солнце. Так что наше Солнце и большинство звезд никогда не станут черными дырами.

Черные дыры звездной массы имеют диаметр всего несколько десятков километров — возможно, около 40 миль. Только представь. Наше Солнце настолько огромно, что внутри него поместится около миллиона Земель.Звезда с достаточным количеством вещества, чтобы стать черной дырой, содержит примерно в 10 раз больше вещества, чем Солнце. А теперь представьте себе звезду с таким количеством материи, сжимающуюся в пространстве не дальше, чем расстояние, на которое вы можете проехать на автомобиле менее чем за час!

Черная дыра со всей массой Земли была бы размером с ноготь!

Другой вид черной дыры называется сверхмассивной черной дырой. Вы можете думать об этом типе как о черной дыре «на миллион больших звезд», потому что она содержит столько материи, сколько от одного миллиона до 100 миллионов Солнц! Астрономы считают, что сверхмассивные черные дыры скрываются в центрах галактик, включая нашу галактику Млечный Путь. Они еще не знают, как образуются эти огромные черные дыры.

Узнайте больше о черных дырах

Ученые очень хотят узнать больше о черных дырах и других странных и массивных объектах во Вселенной.

Художественная идея Космического телескопа XMM Newton . Изображение предоставлено Д. Дюкро и Европейским космическим агентством (ЕКА).

В этом им помогает космический телескоп XMM-Newton .Он был запущен на околоземную орбиту в 1999 году НАСА и Европейским космическим агентством. Он наблюдает за Вселенной в высокоэнергетическом рентгеновском излучении, типе света, который мы не можем видеть нашими глазами. Вещество, такое как частицы газа и пыли, вблизи черных дыр испускает рентгеновские лучи, вращаясь со скоростью света как раз перед тем, как черная дыра поглотит его. Наблюдая за этими рентгеновскими лучами, XMM может помочь ученым понять черную дыру.

Падение в черную дыру!

Отказ от ответственности: этот материал хранится в сети в исторических целях. Хотя он точен на момент публикации, он больше не обновляется. Страница может содержать неработающие ссылки или устаревшую информацию, а некоторые ее части могут не работать в текущих веб-браузерах.

Прямо сейчас вы можете совершить воображаемое путешествие к черной дыре!

Сыграйте в нашу настольную игру о межгалактических приключениях и станьте первым, кто исследует черную дыру и выживет, чтобы рассказать об этом!

Вы также посетите такие интересные места, как гигантский массив радиотелескопов в пустыне Нью-Мексико и Лабораторию реактивного движения НАСА в Пасадене, Калифорния.Затем вы отправитесь в космос и посетите японский радиотелескоп VSOP, вращающийся вокруг Земли, и российский радиотелескоп «РадиоАстрон».

Вы покинете орбиту Земли и отправитесь исследовать другие галактики, межзвездное газовое облако, нейтронную звезду и, наконец, черную дыру! По пути вы будете зарабатывать «Антигравитационные жетоны», чтобы убежать от огромной гравитационной силы черной дыры.

Это игра для 2, 3 или 4 игроков.Игровое поле занимает шесть страниц размером 8-1/2 x 11 дюймов.

Убедитесь, что ваш принтер настроен на печать «Альбомная», а не «Книжная»!

Или вы можете распечатать полноразмерную плату (25 x 25 дюймов) на крупногабаритном принтере.

Отрежьте белые поля на каждой странице и склейте их вместе. Вы также распечатаете и вырежете карты приключений, жетоны антигравитации и маркеры игроков. Чтобы маркеры игроков было удобно держать в руках, мы предлагаем вам приклеить их на пуговицы, камешки, крышки от бутылок, пробки или другие мелкие предметы.Вам также понадобится одна кость (одна из пары игральных костей) или спиннер из другой игры, в которой есть только числа от 1 до 6.

Прочтите правила и удачи в ваших приключениях!

черных дыр | Управление научной миссии

Не позволяйте названию ввести вас в заблуждение: черная дыра — это что угодно, только не пустое пространство. Скорее, это большое количество материи, упакованное на очень маленьком участке — представьте себе звезду, в десять раз более массивную, чем Солнце, сжатую в сферу диаметром примерно с Нью-Йорк.В результате гравитационное поле настолько сильное, что ничто, даже свет, не может ускользнуть. В последние годы инструменты НАСА нарисовали новую картину этих странных объектов, которые для многих являются самыми интересными объектами в космосе.

Интенсивные рентгеновские вспышки, предположительно вызванные тем, что черная дыра поглотила звезду. (Видео)

Идея объекта в космосе, настолько массивного и плотного, что свет не может покинуть его, существовала веками. Наиболее известно, что черные дыры были предсказаны общей теорией относительности Эйнштейна, которая показала, что когда массивная звезда умирает, она оставляет после себя небольшой плотный остаток ядра.Уравнения показали, что если масса ядра более чем в три раза превышает массу Солнца, сила гравитации подавляет все другие силы и создает черную дыру.

Видео о черных дырах.

Ученые не могут напрямую наблюдать за черными дырами с помощью телескопов, которые обнаруживают рентгеновские лучи, свет или другие формы электромагнитного излучения. Однако мы можем сделать вывод о наличии черных дыр и изучить их, обнаружив их влияние на другую материю поблизости.Например, если черная дыра проходит через облако межзвездной материи, она будет втягивать материю внутрь в процессе, известном как аккреция. Аналогичный процесс может происходить, если обычная звезда проходит вблизи черной дыры. В этом случае черная дыра может разорвать звезду на части, притягивая ее к себе. Когда притянутое вещество ускоряется и нагревается, оно испускает рентгеновские лучи, которые излучаются в космос. Недавние открытия предлагают дразнящие доказательства того, что черные дыры оказывают драматическое влияние на окрестности вокруг них, испуская мощные гамма-всплески, пожирая близлежащие звезды и стимулируя рост новых звезд в одних областях и останавливая его в других.

Конец одной звезды — начало черной дыры

Большинство черных дыр образуются из остатков большой звезды, погибшей в результате взрыва сверхновой. (Меньшие звезды становятся плотными нейтронными звездами, которые недостаточно массивны, чтобы улавливать свет.) Если общая масса звезды достаточно велика (примерно в три раза больше массы Солнца), теоретически можно доказать, что никакая сила не может удерживать звезда от коллапса под действием силы тяжести. Однако, когда звезда схлопывается, происходит странная вещь.Когда поверхность звезды приближается к воображаемой поверхности, называемой «горизонтом событий», время на звезде замедляется по сравнению со временем, которое наблюдатели удерживают далеко. Когда поверхность достигает горизонта событий, время останавливается, и звезда больше не может коллапсировать — это замороженный коллапсирующий объект.

Астрономы определили кандидата на роль самой маленькой из известных черных дыр. (Видео)

В результате столкновений звезд могут образоваться черные дыры еще большего размера. Вскоре после своего запуска в декабре 2004 года телескоп NASA Swift наблюдал мощные мимолетные вспышки света, известные как гамма-всплески.Позже Чандра и космический телескоп Хаббла НАСА собрали данные о «послесвечении» события, и вместе наблюдения привели астрономов к выводу, что мощные взрывы могут возникнуть, когда черная дыра и нейтронная звезда сталкиваются, образуя еще одну черную дыру.

Младенцы и великаны

Хотя основной процесс формирования понятен, одной из вечных загадок в науке о черных дырах является то, что они, по-видимому, существуют в двух радикально разных масштабах.На одном конце есть бесчисленные черные дыры, которые являются остатками массивных звезд. Эти черные дыры «звездной массы», разбросанные по всей Вселенной, обычно в 10–24 раза массивнее Солнца. Астрономы замечают их, когда другая звезда приближается достаточно близко, чтобы часть материи, окружающей ее, попала в ловушку гравитации черной дыры, испуская при этом рентгеновские лучи. Однако большинство звездных черных дыр очень трудно обнаружить. Однако, судя по количеству звезд, достаточно больших для образования таких черных дыр, ученые подсчитали, что только в Млечном Пути насчитывается от десяти миллионов до миллиарда таких черных дыр.

На другом конце спектра размеров находятся гиганты, известные как «сверхмассивные» черные дыры, которые в миллионы, если не в миллиарды раз массивнее Солнца. Астрономы считают, что сверхмассивные черные дыры находятся в центре практически всех крупных галактик, даже нашего Млечного Пути. Астрономы могут обнаружить их, наблюдая за их воздействием на близлежащие звезды и газ.

На этой диаграмме показаны относительные массы сверхплотных космических объектов.

Исторически сложилось так, что астрономы долгое время считали, что черных дыр среднего размера не существует.Однако недавние данные от Chandra, XMM-Newton и Hubble подтверждают существование черных дыр среднего размера. Один из возможных механизмов образования сверхмассивных черных дыр включает цепную реакцию столкновений звезд в компактных звездных скоплениях, которая приводит к накоплению чрезвычайно массивных звезд, которые затем коллапсируют, образуя черные дыры промежуточной массы. Затем звездные скопления опускаются к центру галактики, где черные дыры промежуточной массы сливаются, образуя сверхмассивную черную дыру.

 

Недавние открытия

Дата	Открытие
19 января 2022 г.	Хаббл обнаружил черную дыру, зажигающую звездообразование в карликовой галактике
10 января 2022 г.	Черная дыра «мини-монстра» может содержать ключ к разгадке роста гиганта (Mrk 462)
16 декабря 2021 г.	Астрономы обнаружили четверку полостей гигантских черных дыр: RBS 797
9 декабря 2021 г.	Мини-джет обнаружен вблизи сверхмассивной черной дыры Млечного Пути
10 ноября 2021 г.	Черные дыры могут рассказать нам о скорости расширения Вселенной
16 сентября 2021 г.	Звон, щипок и гул: звуки из космоса
5 августа 2021 г.	Огромные кольца вокруг черной дыры (V404 Лебедя)
28 июня 2021 г.	Сверхмассивные черные дыры могут генерировать «цунами» в выходящем газе
14 апреля 2021 г.	Телескопы объединяются для беспрецедентных наблюдений за знаменитой черной дырой: M87
9 марта 2021 г.	Гигантский реактивный самолет был замечен из черной дыры в ранней Вселенной (PJ352-15)
22 февраля 2021 г.	Swift помогает связать нейтрино с черной дырой, разрушающей звезды
11 февраля 2021 г.	Хаббл обнаружил концентрацию маленькой черной дыры
14 января 2021 г.	Галактики попали в одиночные, двойные и тройные галактики (растущие черные дыры)

 

Могут ли эхо от столкновений черных дыр подтвердить величайшее предсказание Стивена Хокинга?

В 1974 году Стивен Хокинг предположил, что черные дыры не черные, а медленно излучают тепловое излучение. Предсказание Хокинга потрясло физику до глубины души, потому что оно подразумевало, что черные дыры не могут существовать вечно, а вместо этого через эоны лет они испаряются в небытие — за исключением, однако, одной маленькой проблемы: просто невозможно увидеть такое слабое излучение. Но если бы это «излучение Хокинга» можно было каким-то образом стимулировать и усилить, его можно было бы обнаружить, по мнению некоторых астрофизиков. И теперь они утверждают, что видели признаки этого после самого массивного столкновения черных дыр из когда-либо наблюдавшихся.

Утверждение, однако, чрезвычайно спорно, потому что другие поиски такого эха гравитационных волн не увенчались успехом.

В мае 2019 года Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) в США и Virgo в Италии наблюдали гравитационные волны — рябь в ткани пространства-времени — от слияния двух черных дыр, общая масса которых равнялась 151 Солнцу. В результате слияния образовалась черная дыра массой 142 солнечных. Разница в девять солнечных масс была излучена, почти вся в виде гравитационных волн.«Это самое массовое событие, наблюдаемое на сегодняшний день», — говорит Джахед Абеди из Университета Ставангера в Норвегии, который является соавтором препринта, в котором он и его коллеги утверждают, что измерили излучение Хокинга от этого слияния.

Гравитационные волны от этого события, названного GW190521, не только распространялись, чтобы в конечном итоге взаимодействовать с детекторами LIGO и Virgo на Земле; они также смыли оставшуюся черную дыру, образовавшуюся в результате первоначального столкновения. Что произойдет дальше, зависит от вашего взгляда на физику черных дыр.Если черные дыры полностью описываются общей теорией относительности Эйнштейна, то у них есть горизонт событий — граница с односторонним движением, в которую может попасть что угодно, но из которой ничто не может выбраться. «В стандартной картине черной дыры горизонт событий черной дыры поглощает все излучение», — говорит Паоло Пани, физик-теоретик из Римского университета Сапиенца. Так что направленные внутрь гравитационные волны должны просто исчезнуть.

Но могло быть и не так. Физики считают, что для полного описания черных дыр необходима некоторая комбинация квантовой физики и общей теории относительности, и в этом случае возможно, что часть падающих гравитационных волн может отражаться — либо из-за квантовых эффектов у горизонта, либо из-за плотного, компактный объект, созданный слиянием, лишен горизонта и имеет некоторую внутреннюю структуру.Если это так, эхоподобные признаки этого могут присутствовать в информации, собранной LIGO, Virgo и другими детекторами. Подобно звуковому эху, такие сигнатуры будут намного слабее и с очень небольшой задержкой по сравнению с первоначальными гравитационными волнами от слияния.

То, как именно будут выглядеть такие эхо-сигналы, зависит от конкретной моделируемой физики. Например, считается, что область сразу за горизонтом черной дыры — это шумное место, где гудит пара виртуальных частиц, появляющихся и исчезающих. Иногда один из пары падает в черную дыру, а другой убегает. Эти ускользающие частицы составляют излучение Хокинга. Это мучительно медленный процесс. В случае с GW190521 Абеди и его коллеги утверждают, что производство излучения Хокинга остатком может быть существенно ускорено — другими словами, стимулировано — падающими гравитационными волнами.

Принцип несколько похож на то, что происходит при вынужденном излучении в атомах. В этом процессе фотоны света сталкиваются с «возбужденными» электронами в атомах, заставляя электроны падать на более низкие энергетические уровни, выплевывая при этом фотоны с той же длиной волны, что и падающие фотоны.В определенных ситуациях это вынужденное излучение может намного превышать спонтанное «фоновое» излучение (когда электрон сам по себе падает с более высокого энергетического уровня на более низкий и испускает фотон). Абеди и его коллеги предполагают, что гравитационные волны, взаимодействующие с горизонтом событий черной дыры, должны аналогичным образом стимулировать производство излучения Хокинга до уровней, которые намного превышают спонтанное излучение, что делает его обнаруживаемым. Это излучение будет представлять собой гравитационные волны той же длины волны, что и падающие волны, хотя и с гораздо меньшей интенсивностью.

Исследователи утверждают, что видели признаки стимулированного излучения Хокинга от остатка GW190521. Они использовали два разных метода для анализа данных GW190521, собранных LIGO и Virgo. В первом методе сравниваются две модели: одна основана исключительно на общей теории относительности, без эхо-сигналов или сигналов после слияния, а другая включает стимулированное излучение Хокинга. «Если вы сравните их, [общая теория относительности] плюс стимулированное излучение после слияния предпочтительнее в семь раз», — говорит Абеди.

Второй метод не зависел от какой-либо конкретной модели и просто искал когерентные всплески гравитационных волн после слияния от разных детекторов. Команда утверждает, что обнаружила такие всплески. «[Эти два метода] согласуются друг с другом», — говорит Абеди.

Статистический анализ исследователей дает 0,5-процентную вероятность (около 1 из 200) того, что предполагаемый сигнал — это просто шум. Обычно, чтобы физики заявляли об открытии, вероятность ложной тревоги должна быть ниже одного на миллион.Следовательно, Пани, который не был частью команды, осторожен. «Статистические данные, которые у них есть… определенно слишком малы, чтобы претендовать на измерение», — говорит он.

«Это не очень громкий сигнал», — признает Абеди, добавляя, что, тем не менее, это лучшее, что можно сделать с помощью современных детекторов гравитационных волн. «Наша цель — детекторы нового поколения».

Пани соглашается с тем, что для таких исследований лучше подходит такой объект, как космическая антенна лазерного интерферометра (LISA), проект под руководством Европейского космического агентства, который планируется запустить в конце 2030-х годов.«С будущими детекторами, если что-то и будет, мы получим доказательства, необходимые для проведения измерений», — говорит он.

Даже если свидетельство наличия сигнала было бы статистически более значимым, Пани по-прежнему критически относится к заявлению Абеди и его коллег о том, что это может свидетельствовать об излучении Хокинга. «Они могли заявить об измерении эха гравитационных волн. [Это] большой концептуальный шаг [к] утверждению, что это стимулированное излучение Хокинга», — говорит Пани. «В других моделях это может быть что-то другое.

Буквально в прошлом месяце члены LIGO, Virgo и детектора гравитационных волн Камиока (KAGRA) в Японии объединились и опубликовали препринт своего последнего анализа данных гравитационных волн. Они рассмотрели 15 событий, в 14 из которых слились две черные дыры, а в одном — черная дыра слилась с нейтронной звездой. Все события наблюдались двумя или более детекторами. «Этот анализ включал GW190521. Мы не находим доказательств эхо-сигналов или каких-либо других отклонений от предсказаний общей теории относительности», — говорит Дэниел Хольц, член команды LIGO в Чикагском университете.«Было бы невероятно интересно, если бы существовали эхо или любые другие спекулятивные отклонения от общей теории относительности, но похоже, что в данных пока нет убедительных доказательств их существования. На сегодняшний день теория Эйнштейна прошла все проверки. Он поразительно эффективен и точен».

Тем временем Пани не спускает глаз с горизонта, чтобы увидеть, подтверждается ли заявление Абеди и его коллег о стимулированном излучении Хокинга или эхо в целом. «Если это подтвердится в будущем, это будет большой шаг, — говорит Пани, — особенно для области в целом, потому что это даст своего рода портал к квантовым свойствам черных дыр, которые иначе было бы невозможно понять». увидеть другими способами.

Смотреть дальше

Плохая астрономия | Количество черных дыр исчисляется квинтиллионами во всей Вселенной

Сколько существует черных дыр?

Я не имею в виду рядом с Солнцем или даже в галактике. Я имею в виду, сколько черных дыр во всей наблюдаемой Вселенной?

Получается около 40 миллиардов миллиардов из них.

Для тех, кто любит цифры, это 40 000 000 000 000 000 000.В экспоненциальном представлении это 4 x10 ¹⁹ .

По-английски это — черт возьми, это куча черных дыр.

Когда я впервые прочитал об этом, мне пришлось задуматься об этом на секунду, но, честно говоря, это звучит примерно так. И это не придумано. Это рассчитано: это то, к чему пришла команда ученых, когда они обработали цифры (ссылка на статью). Однако на самом деле это не было их конечной целью. Чего они действительно хотели, так это функция масс черной дыры в космическом времени.

Итак, да, давайте немного отступим.

Если вы сейчас посмотрите на нашу галактику Млечный Путь и посчитаете звезды в ней, вы обнаружите около 200 миллиардов, плюс-минус. Но они не все одинаковы: некоторые похожи на Солнце, а некоторые более массивны, и очень немногие действительно массивны — скажем, в 100 раз больше массы Солнца — и множество миниатюрных, таких как красные карлики с половина массы Солнца или меньше. В общих чертах, 80% всех звезд менее массивны, чем Солнце, 10% примерно такие же и 10% больше.

Это то, что мы называем функцией массы звезды : сколько звезд находится в ячейке данной массы. Но на самом деле это сложнее, чем это. Звезды меняются. Они рождаются, они умирают. Звезды с большой массой живут недолго, а звезды с меньшей массой живут триллионы лет. Так что функция масс меняется со временем. Существует начальная функция массы , то есть, скажем, сколько звезд какой массы рождается из одного гигантского облака газа и пыли одновременно. Затем это меняется со временем, когда меняются звезды.

То же самое можно сделать и с черными дырами. Это немного отличается по двум основным причинам: во-первых, черным дырам требуется время, чтобы сформироваться после того, как массивные звезды взорвутся, а их ядра коллапсируют, образуя черные дыры. Во-вторых, как только вы создадите черную дыру, она останется у вас. Они не уходят. На самом деле, они могут набирать массу , когда питаются вещами, а иногда две черные дыры могут сливаться. Это все портит, потому что теперь у вас есть одна черная дыра с большей массой, которая удаляет две дыры с меньшей массой из их корзины в вашей функции.

Так что да, это немного сложно. Но это также важно знать, поскольку черные дыры могут сильно влиять на галактику, в которой они находятся. Знание того, сколько их, их массы и то, как она меняется со временем, действительно может помочь астрономам понять, как работают галактики.

Вот почему группа астрономов занялась этой проблемой. Их цель состояла в том, чтобы выяснить разброс масс черных дыр, сколько их в данной ячейке масс — например, в 3–5 раз больше массы Солнца, в 5–10 и так далее, вплоть до сверхмассивных черных дыр, которые могут имеют миллиардов солнечных масс — и, кроме того, как это меняется со временем.Следовательно, эта линия выше представляет собой функцию массы черной дыры в космическом времени.

Детали… сложны, но то, что они сделали, это использовать известный набор программного обеспечения для расчета того, как рождаются звезды — функцию звездной массы — и соединить ее с программным обеспечением, которое просматривает данные о галактиках и их изменении во времени. Например, звезды рождаются из газовых облаков, а газа в галактике ограниченное количество. Когда-то, несколько миллиардов лет назад, в большинстве галактик звезды образовывались быстрее, чем сейчас.И эта скорость зависит от множества других вещей, например, что это за галактика, сколько в ней массивных звезд и многое другое.

И становится еще хуже. Некоторые звезды образуют черные дыры при взрыве, но некоторые находятся в двойных системах, вращаясь вокруг другой звезды. Иногда они могут передать массу другой звезде, и тогда она взрывается и образует вторую черную дыру. Иногда эти бинарные черные дыры сливаются, иногда нет. Как я уже сказал, это сложно.

Прокручивая все это через их код, в итоге получается таблица со множеством цифр: Сколько черных дыр данной массы существует в разные моменты истории Вселенной.Ух ты.

У них есть интересные цифры. Например, они видят, что в соседней Вселенной количество черных дыр в данной ячейке довольно плоское и составляет от 5 до 50 масс Солнца; для любой заданной массы в этом диапазоне вы увидите примерно одинаковое количество черных дыр. Но очень далеко от нас, где мы видим, что Вселенная моложе 90 251 * 90 252, черные дыры, как правило, имеют более высокое значение, больше похожее на 30–50, с меньшим количеством маломассивных. В ранней Вселенной тяжелых элементов было меньше — они состоят из массивных звезд, которые взрываются и разбрасывают их, а в ранней Вселенной для этого было недостаточно времени.Звезды с меньшим количеством тяжелых элементов могут быть более массивными, поэтому черные дыры, которые они создают, также больше.

Изучая двойные объекты, они обнаружили, что скорость, с которой двойные черные дыры скручиваются вместе и сливаются, соответствует числам, наблюдаемым обсерваториями LIGO/Virgo, которые обнаруживают гравитационные волны от этих событий. Это обнадеживает, поскольку означает, что их код, по крайней мере, соответствует реальности.

И, как только они получат количество черных дыр на единицу массы с течением времени, они смогут сложить их все.Когда они это сделают, они получат это число сверху: 40 миллиардов миллиардов из них.

Звучит много, не правда ли? Но на самом деле это менее 1% от общей массы обычного вещества во Вселенной! А нормальная материя составляет всего около 15% от общей массы материи, потому что темная материя значительно превосходит ее по численности.

Так что да, это много черных дыр, но в целом там гораздо больше всего. И забавно — в их газете этого номера нет, а в пресс-релизе — это .Общее число за все время не так интересно с научной точки зрения, как функция масс, но оно, безусловно, интересно в плане , о, это так круто, как .

Я согласен с этим. Черные дыры играют решающую роль в том, как формируются и развиваются галактики, как рождаются и умирают звезды, и многое другое. Но, честно говоря? Они и правда крутые.

---

^* Свет распространяется очень быстро, но не бесконечно быстро. Поэтому, когда мы смотрим на галактику на расстоянии 7 миллиардов лет, мы видим ее такой, какой она была 7 миллиардов лет назад.На самом деле это более тонко и сложно, но это дает вам идею. В основном дальше = увидеть его моложе.

Новое исследование подсчитало количество черных дыр во Вселенной. Это много

Поскольку мы не можем видеть черные дыры, трудно точно сказать, сколько их в большой, широкой Вселенной.

Но это не значит, что у нас нет возможности попытаться это выяснить.

Черные дыры звездной массы представляют собой схлопнувшиеся ядра мертвых массивных звезд, и новые исследования, включающие в себя то, как эти звезды и двойные системы формируются и развиваются, позволили получить новую оценку населения черных дыр звездной массы во Вселенной.

 

Число довольно ошеломляющее: 40 квинтиллионов, или 40 000 000 000 000 000 000 черных дыр, что составляет примерно 1 процент всей обычной материи в наблюдаемой Вселенной.

«Инновационный характер этой работы заключается в объединении подробной модели звездной и двойной эволюции с передовыми рецептами звездообразования и обогащения металлами отдельных галактик», — объясняет астрофизик Алекс Сицилия из Международной школы перспективных исследований (SISSA). в Италии.

«Это одно из первых и одно из самых надежных ab initio вычислений функции массы звездной черной дыры за всю космическую историю.»

Черные дыры — это огромный вопросительный знак, нависший над нашим пониманием Вселенной, вернее, множество вопросительных знаков. Но если у нас будет хорошее представление о том, сколько черных дыр существует, это может помочь ответить на некоторые из этих вопросов.

Один из подходов заключается в оценке истории массивных звезд во Вселенной.Тогда мы сможем вычислить количество черных дыр, которые должны находиться в любом заданном объеме пространства.

Это знание может дать ключ к пониманию роста и эволюции сверхмассивных черных дыр, масса которых в миллионы или миллиарды раз превышает массу Солнца и которые составляют ядра галактик.

 

Сицилия и его коллеги применили вычислительный подход. Они включали только черные дыры, которые образуются в результате эволюции одиночных или двойных звезд, а также с учетом роли слияний черных дыр, количество которых можно оценить на основе данных гравитационных волн и которые производят черные дыры чуть большей массы.

Это позволило им рассчитать скорость рождения черных дыр звездной массы от пяти до 160 масс Солнца в течение жизни Вселенной.

Этот уровень рождаемости предполагает, что сегодня в наблюдаемой Вселенной должно быть примерно 40 квинтиллионов черных дыр звездной массы, причем самые массивные черные дыры звездной массы образуются в результате слияния двойных черных дыр в скоплениях звезд.

Команда сравнила свои результаты с данными гравитационных волн и обнаружила, что их оценка скорости слияния черных дыр хорошо согласуется с данными наблюдений.Это говорит о том, что за столкновениями черных дыр, которые мы наблюдали, вероятно, стоят слияния звездных скоплений.

Рассчитав уровень рождаемости с течением времени, исследователи также смогли получить оценку количества черных дыр звездной массы в ранней Вселенной. Это представляет большой интерес, поскольку наблюдения далекой Вселенной выявили сверхмассивные черные дыры в поразительно раннем времени после Большого взрыва.

 

Непонятно, как эти чудовища так быстро выросли.Некоторые текущие вопросы касаются массы «зародышей» черных дыр, из которых они выросли, — были ли они легкими черными дырами звездной массы или «тяжелыми» черными дырами промежуточной массы.

Исследование группы послужит основой для изучения этих вопросов. Эта статья была первой в серии; в будущих работах будут исследованы черные дыры промежуточной массы и сверхмассивные черные дыры, чтобы получить более полную картину распределения черных дыр во Вселенной.

«Наша работа представляет собой надежную теорию образования легких зародышей для (сверх)массивных черных дыр при большом красном смещении и может стать отправной точкой для исследования происхождения «тяжелых зародышей», которым мы займемся в следующей статье. », — говорит астрофизик Люмен Боко из SISSA.

Исследование группы опубликовано в Астрофизическом журнале .

 

Впервые обнаружено слияние черных дыр с большим эксцентриситетом

Художественное представление двух черных дыр, которые вот-вот столкнутся и сольются.

Выводы Центра вычислительной теории относительности и гравитации, опубликованные в Nature Astronomy .

Ученые считают, что впервые обнаружили слияние двух черных дыр с эксцентричными орбитами.Согласно статье, опубликованной в Nature Astronomy исследователями из Центра вычислительной теории относительности и гравитации Рочестерского технологического института и Университета Флориды, это может помочь объяснить, как некоторые из слияний черных дыр, обнаруженных LIGO Scientific Collaboration и Virgo Collaboration, намного тяжелее, чем считалось возможным ранее.

Эксцентричные орбиты являются признаком того, что черные дыры могут неоднократно поглощать другие во время случайных столкновений в областях, густо населенных черными дырами, таких как ядра галактик.Ученые изучили самую массивную двойную гравитационно-волновую систему, наблюдавшуюся на сегодняшний день, GW190521, чтобы определить, имело ли слияние эксцентрические орбиты.

«Расчетные массы черных дыр более чем в 70 раз превышают размер нашего Солнца каждая, что значительно превышает расчетную максимальную массу, предсказываемую в настоящее время теорией звездной эволюции», — сказал Карлос Лусто, профессор Школы математических наук и член CCRG. «Это делает интересный случай для изучения двойной системы черных дыр второго поколения и открывает новые возможности сценариев формирования черных дыр в плотных звездных скоплениях.

Представление художника о бинарных черных дырах, которые вот-вот столкнутся. Предоставлено: Марк Майерс, Центр передового опыта ARC по открытию гравитационных волн (OzGrav)

Группа исследователей RIT, включая Лусто, научного сотрудника Джеймса Хили, Джейкоба Ланге, доктор философии, 20 лет. (астрофизические науки и технологии), профессор и директор CCRG Мануэла Кампанелли, адъюнкт-профессор Ричард О’Шонесси и сотрудники из Университета Флориды собрались, чтобы по-новому взглянуть на данные, чтобы увидеть, имели ли черные дыры сильно эксцентричные орбиты до их слияния. .Они обнаружили, что слияние лучше всего объясняется моделью прецессии с высоким эксцентриситетом. Чтобы добиться этого, команда провела сотни новых полных численных симуляций в суперкомпьютерах местных и национальных лабораторий, на выполнение которых ушло почти год.

«Это значительный прогресс в нашем понимании того, как сливаются черные дыры», — сказал Кампанелли. «Благодаря нашим сложным суперкомпьютерным симуляциям и множеству новых данных, предоставляемых LIGO и быстро развивающимися детекторами Virgo, мы делаем новые открытия о Вселенной с поразительной скоростью.

Расширение этого анализа, выполненное той же командой RIT и UFL, использовало возможный электромагнитный аналог, наблюдаемый Zwicky Transient Facility, для независимого вычисления космологической постоянной Хаббла с GW150521 как эксцентрическим слиянием двойной черной дыры. Они нашли отличное совпадение с ожидаемыми значениями и недавно опубликовали работу в Astrophysical Journal .

Ссылка: «Оценка эксцентриситета для слияний черных дыр с численным моделированием относительности» В.