Во что превращаются черные дыры
Спросите Итана №57: как умирают чёрные дыры?
Самые плотные и массивные объекты Вселенной живут ужасно долго, но не вечно. И вот, что с ними случается
Перед фактом сядьте, словно ребёнок, и приготовьтесь расстаться с любым предубеждением, следуя скромно куда и к чему бы не привели бездны природы, или же вы ничему не научитесь.
— Т. Г. Хаксли
Представляя себе чёрные дыры вы, наверно, думаете о сверхплотных и очень массивных участках пространства, откуда ничто не может убежать. Ни материя, ни антиматерия, ни даже свет! Вы также можете думать, что они продолжают питаться всем, чему не посчастливилось столкнуться с ними, даже тёмной материей. Но в какой-то момент любая чёрная дыра во Вселенной не только закончит расти, но и начнёт уменьшаться, терять массу, до тех пор, пока не испарится полностью! На этой неделе в нашей колонке мы ответим на вопрос Павла Жужельского, который спрашивает:
Я часто видел объяснения излучения Хокинга типа: «пары виртуальных частиц появляются на горизонте событий. Одна падает в дыру, другая убегает, унеся с собой частичку массы дыры». И обычно мелким шрифтом указано, что это – упрощение. Наверно, это так и есть – ведь если одна из частиц падает в дыру, её масса должна увеличиваться на массу частицы. В чём подвох?
Это очень сложная тема, но такая, которую мы понимаем. Начнём с обсуждения того, как выглядит пустое пространство.
В общей теории относительности пространство и время имеют запутанную связь, и формируют четырёхмерную ткань пространства-времени. Если вы уберёте все частицы во Вселенной на бесконечно большое расстояние от нужной вам точки, если вы уберёте факт расширения пространства из уравнений, если вы также устраните все виды излучений, и присущую космосу кривизну – вы сможете заявить, что создали плоское пустое пространство.
Но когда вы начинаете принимать во внимание, что живёте во Вселенной, где всеми частицами и их взаимодействиями управляет квантовая теория поля, вам придётся признать, что даже в отсутствие физических частиц, физические поля, управляющие их взаимодействиями, никуда не денутся. Одним из последствий этого будет то, что сущность, которую мы представляем себе, как «плоское пустое пространство», не избавлено от энергии. Вместо этого нужно представлять себе плоское пустое пространство как квантовый вакуум, где повсюду есть квантовые поля.
Вам может быть знакомой идея, что на квантовых масштабах во Вселенной существуют присущие пространству неопределённости конкретных параметров. Мы не можем одновременно знать расположение и импульс частицы, и чем лучше измеряем один из них, тем больше неопределённость у второго. Такое же взаимоотношение неопределённостей свойственно энергии и времени, что для нас сейчас важно.
Если вы наблюдаете за тем, что представляете себе, как пустое пространство, но при этом наблюдаете за этим в определённый момент времени, вам нужно учесть, что момент – это бесконечно малый промежуток времени. Из-за этого взаимоотношения неопределённостей существует огромная неопределённость в общем количестве энергии, содержащемся даже в пустом пространстве в это время. Это значит, что там может, в принципе, быть несколько пар из частиц и античастиц, существующих на очень кратких промежутках времени, пока они подчиняются известным законам сохранения, действующим в физической Вселенной.
Мы часто слышим объяснение вроде «пары частица-античастица возникают и исчезают в квантовом вакууме», и хотя такое объяснение довольно наглядно, на самом деле происходит не совсем это. Там нет настоящих частиц, в том смысле, что если вы запустите фотон или электрон через эту область пространства, они никогда не отразятся от частицы квантового вакуума. Это описание даёт нам возможность заглянуть в присущую квантовому вакууму «дрожь», и показывает, что там есть резервуар виртуальных частиц, позволяющий нам трактовать присущую пустому пространству энергию как сумму всех этих виртуальных частиц.
Повторюсь, так как это важно: существует энергия, присущая самому пустому пространству, и её можно представить, как сумму квантовых флуктуаций, присущих этому пространству.
Пойдём дальше. Представим, что пространство, вместо того, чтобы быть плоским и пустым, всё ещё пустое, но уже искривлено – то есть, в гравитационном поле космоса существуют отклонения.
Как будут выглядеть наши квантовые флуктуации? В частности, если мы позволим пространству искривляться из-за присутствия чёрной дыры, как они будут выглядеть снаружи и внутри горизонта событий?
Вопросы хорошие, и чаще всего в поисках ответа вы увидите следующую (неправильную) картинку, которая являет собою суть вопроса Павла:
Если представлять себе пары частица/античастица как реальные, и если одна убежит от чёрной дыры, а другая упадёт за горизонт событий – то получится, что во Вселенной прибавилось энергии: половина вне чёрной дыры и половина к массе чёрной дыры. Но эти пары частиц и античастиц не являются реальными, а представляют собою лишь способ визуализации и подсчёта энергии, присущей пространству.
Дело в том, что при искривлённом пространстве, как вы помните, существуют отклонения гравитационного поля. Мы используем флуктуации для помощи в визуализации энергии, присущей пустому пространство, но могут возникать флуктуации, начинающиеся снаружи горизонта событий, которые попадут внутрь горизонта, не успев ре-аннигилировать. Но нельзя украсть энергию у пустого пространства – что-то должно случиться, чтобы её сохранить. Поэтому каждый раз, когда виртуальная частица (или античастица) падает внутрь, настоящий фотон (или их набор) должен появиться для компенсации. И этот реальный фотон, покидающий горизонт событий, и уносит энергию от чёрной дыры.
Тот способ, который мы ранее использовали для визуализации процесса, когда одна из пары частиц падала, а другая – убегала, слишком наивен, чтобы быть полезным, поскольку уменьшению чёрных дыр способствуют не частицы или античастицы, а фотоны, соответствующие спектру чёрного тела.
Я предпочитаю картинку получше, хотя она всё равно ещё довольно наивна. Представьте квантовые флуктуации, при которых каждый раз, когда у вас появляется пара частица-античастица, из которых одна падает внутрь, появляется ещё одна пара частица-античастица, у которой внутрь падает другая. Оставшаяся снаружи пара из частицы и античастицы аннигилирует, испуская реальные фотоны, а те, что падают внутрь, забирают соответствующее количество массы (Е = мс 2 ) у чёрной дыры.
Это всё ещё не идеальная аналогия (потому что это всего лишь аналогия), но, по крайней мере горизонт событий в ней покидают фотоны, что соответствует предсказаниям излучения Хокинга. Фактически – хотя вам придётся провести подсчёты квантовой теории поля в искривлённом пространстве-времени, чтобы это выяснить – излучение Хокинга предсказывает, что спектр фотона будет соответствовать абсолютно чёрному телу с температурой, заданной:
что даст температуру меньше одного микроКельвина для чёрной дыры массой равной массе Солнца, меньше одного пикоКельвина для чёрной дыры в центре нашей галактики, и всего лишь несколько десятых от аттоКельвина для самой крупной из известных чёрных дыр. Скорость уменьшения, которому соответствует это излучение, настолько мало, что чёрные дыры будут расти, даже если они будут поглощать один протон за промежуток времени, сравнимый с возрастом нашей Вселенной – это будет продолжаться ещё примерно 10 20 лет.
После этого чёрные дыры массой с Солнце, наконец, начнут терять из-за излучения Хокинга в среднем больше энергии, чем поглощают, и полностью испарятся через 10 67 лет, а самые крупные из них – через 10 100 лет. Это может сильно превышать возраст Вселенной, но это и не вечность. А уменьшаться они будут благодаря излучению Хокинга, испуская фотоны.
В итоге: у пустого пространства есть энергия нулевого уровня, которая не равна нулю, а в искривлённом пространстве на горизонте событий чёрной дыры появляется низкоэнергетический спектр излучения абсолютно чёрного тела. Это излучение отнимает массу у чёрной дыры и слегка сжимает горизонт событий со временем. Если вы настаиваете на представлении источника этого излучения в виде пар частица/античастица, хотя бы представляйте по две пары за раз. Тогда частица от одной пары и античастица от другой аннигилируют, создавая реальные фотоны, покидающие чёрную дыру, а другая виртуальная пара частиц падает в дыру и забирает её энергию (или массу).
Вот так чёрные дыры и умрут! Спасибо за отличный вопрос, Павел, и если у вас есть вопросы или предложения, отправляйте их мне.
Как умирают черные дыры?
Самыми таинственными объектами во Вселенной по праву можно назвать черные дыры – области пространства-времени гравитация которых настолько сильна, что ничто, даже свет, не может их покинуть. Интересно, что на просторах бесконечной Вселенной существуют черные дыры, масса которых превышает массу Солнца в пять-сто раз, но есть и такие, чья масса превышает миллиард солнечных. Сегодня астрономы считают, что сверхмассивные черные дыры скрываются в сердце большинства галактик, отмечая при этом, что Вселенная находится в так называемой «звездной эре» – этапе эволюции Вселенной, во время которого звезды и галактики рождаются непрерывно. Но что лежит за границей звездной эры? Исследователи полагают, что в конечном итоге все ингредиенты для создания черных дыр будут исчерпаны, а звезды в ночном небе медленно погаснут, превратив тем самым черные дыры в единственных обитателей Вселенной. Но даже эти космические монстры не могут существовать вечно. Когда-нибудь и они погибнут, озарив, на прощание, пустое и безжизненное пространство фейерверком.
Доказать существование черных дыр ученым удалось совсем недавно.
Как появляются черные дыры?
Та часть вещества, которую не выбросило в межзвездную среду, как правило, преобразуется либо в компактный объект – нейтронную звезду (в случае, если масса звезды до взрыва составляла более 8 солнечных масс), либо в черную дыру – область пространства-времени, в которой всем управляет ее величество гравитация (в случае, если масса оставшегося после взрыва ядра превышает солнечную в пять раз).
Так выглядит вспышка сверхновой в объективе космического телескопа NASA Hubble.
Как отмечают астрономы, подобная связь между рождением черной дыры и смертью звезды, которая ее образовала, довольно распространенное явление во Вселенной. Особенно близки черные дыры с другими звездами в тех ее уголках, где звездообразование происходит с высокой скоростью. Напомним также, что звездообразование является крупномасштабным процессом, в ходе которого из межзвездного газа в галактике начинают массово формироваться звезды.
Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира астрономии и физики? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram чтобы не пропустить ничего интересного!
Эволюция черных дыр
Итак, после рождения черной дыры в результате гибели массивной звезды, ее главным занятием становится поглощение любых объектов, оказавшихся поблизости. В некоторых случаях поглощенный материал (газ и звезды) окружает этих космических монстров, двигаясь все быстрее и скапливаясь вокруг. Так как трение между пылью генерирует тепло, аккреционный диск черной дыры начинает светиться, очерчивая ее тень или горизонт событий. Именно его в 2019 году удалось сфотографировать ученым, о чем подробно рассказал мой коллега Николай Хижняк в своем материале.
Но помимо того, что горизонт событий окружает черную дыру, он также является ключом к ее гибели. Все потому, что любой поглощенный черной дырой материал пропадает навсегда, по крайней мере, это следует из нашего понимания гравитации. Однако эта так называемая точка невозврата не учитывает квантовую механику – да, да, физики по-прежнему трудятся над созданием единой теории квантовой гравитации и, кстати, недавно добились довольно интересных результатов.
Стивен Хокинг – английский физик-теоретик, космолог и астрофизик. Хокинг первым изложил космологическую теорию, в которой были объединены представления общей теории относительности и квантовой механики.
Исследователи сравнивают этот процесс с песочными часами, где песок наверху – это количество времени, оставшееся у черной дыры. Поглощая все больше звезд и газа, прожорливый космический монстр продолжает добавлять песчинки в «тикающие» песочные часы, даже когда отдельные частицы просачиваются наружу. Но по мере старения Вселенной материал вокруг черной дыры иссякнет, знаменуя ее неминуемую погибель.
Кстати, самая мощная из когда-либо зарегистрированных сверхновых (ASSASN-15lh) сегодня считается в 22 триллиона раз более взрывоопасной, чем черная дыра в ее последние мгновения. А как вы думаете, каким будет конец Вселенной? Ответ будем ждать здесь, а также в комментариях к этой статье.
10 фактов о черных дырах, которые должен знать каждый
Черные дыры — это, пожалуй, самые загадочные объекты Вселенной. Если, конечно, где-то в глубинах не скрываются вещи, о существовании которых мы не знаем и знать не можем, что вряд ли. Черные дыры — это колоссальная масса и плотность, сжатая в одну точку небольшого радиуса. Физические свойства этих объектов настолько странные, что заставляют ломать голову самых искушенных физиков и астрофизиков. Сабина Хоссфендер, физик-теоретик, сделала подборку десяти фактов о черных дырах, которые должен знать каждый.
Возможно так и выглядит черная дыра
Что такое черная дыра?
Схматичное изображение устройства черной дыры
Определяющим свойством черной дыры является ее горизонт. Это граница, преодолев которую ничто, даже свет, не сможет вернуться обратно. Если отделенная область становится отделенной навсегда, мы говорим о «горизонте событий». Если же она только временно отделена, мы говорим о «видимом горизонте». Но это «временно» также может означать, что область будет отделенной гораздо дольше нынешнего возраста Вселенной. Если горизонт черной дыры является временным, но долгоживущим, разница между первым и вторым расплывается.
Насколько большие черные дыры?
Выглядит впечатляюще, согласны?
Можно представить горизонт черной дыры как сферу, и ее диаметр будет прямо пропорциональным массе черной дыры. Поэтому чем больше массы падает в черную дыру, тем больше становится черная дыра. По сравнению со звездными объектами, впрочем, черные дыры крошечные, потому что масса сжимается в очень малые объемы под действием непреодолимого гравитационного давления. Радиус черной дыры массой с планету Земля, например, всего несколько миллиметров. Это в 10 000 000 000 раз меньше настоящего радиуса Земли.
Радиус черной дыры называется радиусом Шварцшильда в честь Карла Шварцшильда, который впервые вывел черные дыры как решение для общей теории относительности Эйнштейна.
Что происходит на горизонте?
Так называемый эффект «спагетти»
Когда вы пересекаете горизонт, вокруг вас ничего особенного не происходит. Все из-за принципа эквивалентности Эйнштейна, из которого следует, что нельзя найти разницу между ускорением в плоском пространстве и гравитационным полем, создающим кривизну пространства. Тем не менее наблюдатель вдали от черной дыры, который наблюдает за тем, как кто-то другой падает в нее, заметит, что человек будет двигаться все медленнее и медленнее, подходя к горизонту. Будто бы время вблизи горизонта событий движется медленнее, чем вдали от горизонта. Однако пройдет некоторое время, и падающий в дыру наблюдатель пересечет горизонт событий и окажется внутри радиуса Шварцшильда.
То, что вы испытываете на горизонте, зависит от приливных сил гравитационного поля. Приливные силы на горизонте обратно пропорциональны квадрату массы черной дыры. Это означает, что чем больше и массивнее черная дыра, тем меньше силы. И если только черная дыра будет достаточно массивна, вы сможете преодолеть горизонт еще до того, как заметите, что что-то происходит. Эффект этих приливных сил растянет вас: технический термин, который для этого используют физики, называется «спагеттификация».
В первые дни общей теории относительности считалось, что на горизонте существует сингулярность, но это оказалось не так.
Что внутри черной дыры?
Никто не знает наверняка, но точно не книжная полка. Общая теория относительности прогнозирует, что в черной дыре сингулярность, место, в котором приливные силы становятся бесконечно большими, и как только вы преодолеваете горизонт событий, вы уже не можете попасть куда-либо еще, кроме как в сингулярность. Соответственно, ОТО лучше не использовать в этих местах — она попросту не работает. Чтобы сказать, что происходит внутри черной дыры, нам нужна теория квантовой гравитации. Общепризнанно, что эта теория заменит сингулярность чем-то другим.
Как образуются черные дыры?
А вы когда-нибудь задумывались, что произойдет, если рядом с Землей появится Черная Дыра?
Следующим распространенным типом черных дыр являются «сверхмассивные черные дыры», которые можно найти в центрах многих галактик и которые имеют массы примерно в миллиард раз больше, чем черные дыры солнечной массы. Пока доподлинно неизвестно, как именно они формируются. Считается, что когда-то они начинались как черные дыры солнечной массы, которые в густонаселенных галактических центрах поглощали множество других звезд и росли. Тем не менее они, похоже, поглощают вещество быстрее, чем предполагает эта простая идея, и как именно они это делают — все еще остается предметом исследований.
Более спорной идеей стали первичные черные дыры, которые могли быть сформированы практически любой массой в крупных флуктуациях плотности в ранней Вселенной. Хотя это возможно, достаточно трудно найти модель, которая производит их, при этом не создавая чрезмерное их количество.
На нашем канале Яндекс.Дзен выходят эксклюзивные материалы, которых нет на сайте
Наконец, есть очень умозрительная идея о том, что на Большом адронном коллайдере могут образовываться крошечные черные дыры с массами, близкими массе бозона Хиггса. Это работает только в том случае, если у нашей Вселенной имеются дополнительные измерения. Пока не было никаких подтверждений в пользу этой теории.
Откуда мы знаем, что черные дыры существуют?
Черные дыры до сих пор не изучены, и вряд ли будут изучены ближайшие десятки лет
У нас есть много наблюдательных доказательств существования компактных объектов с крупными массами, которые не излучают свет. Эти объекты выдают себя по гравитационному притяжению, например, за счет движения других звезд или газовых облаков вокруг них. Они также создают гравитационное линзирование. Мы знаем, что у этих объектов нет твердой поверхности. Это вытекает из наблюдений, потому что вещество, падая на объект с поверхностью, должно вызывать выброс большего числа частиц, чем вещество, падающее сквозь горизонт.
Почему в прошлом году Хокинг сказал, что черные дыры не существуют?
Так существуют ли черные дыры на самом деле?
Он имел в виду, что черные дыры не имеют вечного горизонта событий, а только временный кажущийся горизонт (см. пункт первый). В строгом смысле только горизонт событий считается черной дырой.
Как черные дыры испускают излучение?
Черные дыры испускают излучение, каким бы безумным это не казалось
Черные дыры испускают излучение за счет квантовых эффектов. Важно отметить, что это квантовые эффекты вещества, а не квантовые эффекты гравитации. Динамическое пространство-время коллапсирующей черной дыры меняет само определение частицы. Подобно течению времени, которое искажается рядом с черной дырой, понятие частиц слишком зависимо от наблюдателя. В частности, когда наблюдатель, падающий в черную дыру, думает, что падает в вакуум, наблюдатель далеко от черной дыры думает, что это не вакуум, а полное частиц пространство. Именно растяжение пространства-времени вызывает этот эффект.
Здесь можно почитать о самой большой Черной Дыре, которую удалось обнаружить на данный момент
Впервые обнаруженное Стивеном Хокингом, испускаемое черной дырой излучение называется «излучением Хокинга». Это излучение имеет температуру, обратно пропорциональную массе черной дыры: чем меньше черная дыра, тем выше температура. У звездных и сверхмассивных черных дыр, которые мы знаем, температура значительно ниже температуры микроволнового фона и поэтому не наблюдается.
Что такое информационный парадокс?
Парадокс потери информации обусловлен излучением Хокинга. Это излучение сугубо термическое, то есть случайно и из определенных свойств имеет только температуру. Излучение само по себе не содержит никакой информации о том, как сформировалась черная дыра. Но когда черная дыра испускает излучение, она теряет массу и сокращается. Все это совершенно не зависит от вещества, которое стало частью черной дыры или из которого она образовалась. Выходит, зная только конечное состояние испарения нельзя сказать, из чего сформировалась черная дыра. Этот процесс «необратим» — и загвоздка в том, что в квантовой механике нет такого процесса.
Выходит, испарение черной дыры несовместимо с квантовой теории, известной нам, и с этим нужно что-то делать. Каким-то образом устранить несогласованность. Большинство физиков считают, что решение состоит в том, что излучение Хокинга должно каким-то образом содержать информацию.
Что предлагает Хокинг для решения информационного парадокса черной дыры?
Идея состоит в том, что у черных дыр должен быть способ хранить информацию, который до сих пор не приняли. Информация хранится на горизонте черной дыры и может вызывать крошечные смещения частиц в излучении Хокинга. В этих крошечных смещения может быть информация о попавшей внутрь материи. Точные детали этого процесса в настоящее время не определены. Ученые ждут более подробного технического документа от Стивена Хокинга, Малькома Перри и Эндрю Строминджера. Говорят, он появится в конце сентября.
На данный момент мы уверены, что черные дыры существуют, знаем, где они находятся, как образуются и чем станут в итоге. Но детали того, куда девается поступающая в них информация, до сих пор представляют одну из самых больших загадок Вселенной.
Давайте обсудим Черные Дыры в нашем Telegram-канале?
Черные дыры: почему они черные, как их находят и при чем здесь квазары
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.