Как умирают черные дыры?

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.

Индустрия 4.0

Как полететь на Луну: самые популярные поисковые запросы на тему космоса

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)

Стоит ли вообще искать кротовую нору?

Конечно, каждому писателю-фантасту или же режиссеру фильма о космосе подвластно создать кротовую нору любых размеров и проявлений. Однако ученые, порой, под сомнение ставят не только вопрос целесообразности изучения кротовой норы, но и сам факт ее существования.

«Говоря о кротовой норе, мы имеем дело с так называемым парадоксом Энрико Ферми, который можно сформулировать в одно простое изречение: «Если бы что-то существовало, то мы бы давно это увидели». Пока что достоверных и научно доказанных фактов существования кротовых нор, к сожалению, нет. Иначе, как я люблю говорить, уже бы давно в каждой квартире налогоплательщика была бы кротовая нора», — отметил Владимир Липунов.

Однако, по мнению Эмиля Ахмедова, не все так просто и категорично. Однозначно утверждать, что кротовые норы существуют только математически и на бумаге, нельзя. По словам ученого, уравнения Эйнштейна не очень ограничительные — это значит, что у них много различных решений, и не все из них обязаны реализоваться в природе. Например, белые дыры существуют как решения уравнений гравитации, но вполне вероятно, что в природе их нет. При этом черные дыры регистрируются, и уже есть их фото. Еще один важный факт — некоторые из этих гипотетических объектов неустойчивы, т.е. живут достаточно короткое время, как поставленная на ребро монета, которая может упасть при малейшем дуновении ветра.

Космонавты опять сняли НЛО: объясняем самые известные снимки из космоса

Теория, не доказанная практикой

К сожалению, технологии человечества на данном этапе развития не позволяют нам проверить большинство теорий, разработанных астрофизиками и другими учеными. С одной стороны, существование черных дыр довольно убедительно доказано на бумаге и выведено с помощью формул, в которых все сошлось с каждой переменной. С другой, на практике нам пока не удалось увидеть воочию настоящую черную дыру.

https://youtube.com/watch?v=9LBZJqYqTD0

Несмотря на все разногласия, физики предполагают, что в центре каждой из галактик находится сверхмассивная черная дыра, которая собирает своей гравитацией звезды в скопления и заставляет путешествовать по Вселенной большой и дружной компанией. В нашей галактике Млечный путь по разным оценкам насчитывается от 200 до 400 миллиардов звезд. Все эти звезды вращаются вокруг чего-то, что обладает огромной массой, вокруг чего-то, что мы не можем увидеть в телескоп. С большой долей вероятности это черная дыра. Стоит ли ее бояться? – Нет, по-крайней мере не в ближайшие несколько миллиардов лет, но мы можем снять про нее еще один интересный фильм.

Опасность

Когда у звезды заканчивается топливо, она может запустить процесс саморазрушения. Если ее масса была втрое больше солнечной, то оставшееся ядро станет нейтронной звездой или белым карликом. Но более крупная звезда трансформируется в черную дыру.

Зависимость между массой черной дыры и массой балджа

Такие объекты маленькие, но обладают невероятной плотностью. Представьте, что перед вами объект, размером в город, но его масса в три раза больше солнечной. Это создает невероятно огромную гравитационную силу, которая притягивает пыль и газ, увеличивая ее размеры. Вы удивитесь, но в Млечном Пути может располагаться несколько сотен миллионов звездных черных дыр.

Как мы узнали о существовании этих космических монстров?

Уже обнаружено около тысячи объектов, которые причисляются к черным дырам. Всего же предполагается существование десятков миллионов таких объектов. Опишем коротко, как человечество пришло к таким открытиям.

Ранние гипотезы

Гипотеза о существовании такого массивного объекта была впервые предложена в 1783 году английским геологом Джоном Митчеллом в письме Генри Кавендишу из Британского королевского общества. В то время теория гравитации Ньютона и идея второй космической скорости были хорошо известны. По оценкам Митчелла, тело с радиусом в 500 раз больше солнечного и с такой же плотностью будет иметь на своей поверхности вторую космическую скорость, равную скорости света, и поэтому будет невидимым.

В 1796 году французский математик Пьер-Симон Лаплас предложил ту же идею в первом и втором изданиях своей книги «Exposition du système du monde». Однако она не привлекла большого внимания в 19 веке и исчезла из последующих изданий его книги, так как в то время свет считался безмассовой волной, не подверженной влиянию гравитации.

Общая теория относительности

В 1939 году Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер предсказали, что массивные звезды могут подвергнуться резкому гравитационному коллапсу. Однако черные дыры (как гипотетические объекты) не были предметом большого интереса до конца 1960-х годов. Интерес к ним ожил в 1967 году с открытием пульсаров.

Открытие Лебедя X-1 (Cygnus X-1)

Лебедь X-1 расположен на расстоянии 6 070 световых лет от нас, имеет диаметр всего около 32-64 км, массу около 14,8 солнечных и скорость вращения 800 оборотов в секунду. Все эти данные соответствуют тому, какой должна быть черная дыра, если бы она находилась в непосредственной близости от HDE 226868. Эти два объекта расположены на расстоянии 0,2 а. е. друг от друга, что позволяет Лебедю откачивать материал из своего спутника, придавая ему форму яйца. Было замечено, что материал входит в Лебедя, но в конечном итоге он значительно смещается и «уходит» в сингулярности.

Сингулярность — это точка за горизонтом событий, где, согласно общей теории относительности, пространство-время имеет бесконечную кривизну. В этой области пространство и время перестают существовать в том виде, как мы их знаем, а потому к ней не применимы действующие законы физики. Пространство за горизонтом событий особенно в том смысле, что сингулярность является буквально единственным возможным будущим, поэтому все частицы должны двигаться к нему.

Обнаружение

Отличить черную дыру от другого объекта можно по соотношению размера к массе, для этого нужно сравнить ее физический радиус с гравитационным радиусом. Массу и расположение черных дыр рассчитывают используя данные о перемещении звезд.

А что с черной дырой?

Кротовые норы и черные дыры — два типа объектов, которые в зависимости от характеристик могут как быть очень похожими, так и сильно отличаться.

«Кротовые норы и черные дыры являются двумя разными типами решений уравнений общей теории относительности. Отличительная особенность черной дыры — это наличие горизонта событий, из пределов которого ничего не может вырваться обратно ввиду сильного гравитационного поля. У черной дыры обязательно есть горизонт событий, но она не обязательно связывает разные области пространства-времени или разные вселенные. А атрибут кротовой норы — как раз связь таких областей, но горизонта событий в ней может и не быть. И если у кротовой норы все же есть горизонт событий, снаружи она выглядит так же, как черная дыра», — поясняет заведующий кафедрой теоретической физики Московского физико-технического института Эмиль Ахмедов.

Самые яркие объекты во Вселенной

Наш мир – совокупность парадоксов. Иногда в нем уживаются вещи, сосуществование которых не поддается никакой логике. Например, термин «черная дыра» не будет ассоциироваться у нормального человека с выражением «невероятно яркий», однако открытие начала 60-х годов прошлого века позволило ученым считать это утверждение неверным.

С помощью телескопов астрофизикам удалось обнаружить неизвестные до того момента объекты на звездном небе, которые вели себя совсем странно несмотря на то, что выглядели, как обычные звезды

Изучая эти странные светила, американский ученый Мартин Шмидт обратил внимание на их спектрографию, данные которой показывали отличные от сканирования других звезд результаты. Проще говоря, эти звезды не были похожи на другие, привычные нам

Внезапно Шмидта осенило, и он обратил внимание на смещение спектра в красном диапазоне. Оказалось, что эти объекты намного дальше от нас, чем те звезды, что мы привыкли наблюдать в небе

Например, наблюдаемый Шмидтом объект был расположен в двух с половиной миллиардах световых лет от нашей планеты, но светил так же ярко, как и звезда в каких-нибудь сотне световых лет от нас. Получается, свет от одного такого объекта сопоставим с яркостью целой галактики. Такое открытие стало настоящим прорывом в астрофизике. Ученый назвал эти объекты «quasi-stellar» или просто «квазар».

Мартин Шмидт продолжил изучение новых объектов и выяснил, что столь яркое свечение может быть вызвано только по одной причине – аккреции. Аккреция – это процесс поглощения сверхмассивным телом окружающей материи с помощью гравитации. Ученый пришел к выводу, что в центре квазаров находится огромная черная дыра, которая с невероятной силой втягивает в себя окружающую ее в пространстве материю. В процессе поглощения дырой материи, частицы разгоняются до огромных скоростей и начинают светиться. Своеобразный светящийся купол вокруг черной дыры называется аккреационным диском. Его визуализация была хорошо продемонстрирована в киноленте Кристофера Нолана «Интерстеллар», которая породила множество вопросов «как черная дыра может светиться?».

На сегодняшний день ученые нашли на звездном небе уже тысячи квазаров. Эти странные невероятно яркие объекты называют маяками Вселенной. Они позволяют нам чуть лучше представить устройство космоса и ближе подойти к моменту, с которого все началось.

• Несмотря на то, что астрофизики уже много лет получали косвенные доказательства существования сверхмассивных невидимых объектов во Вселенной, термина «черная дыра» не существовало вплоть до 1967 года. Чтобы избежать сложных названий, американский физик Джон Арчибальд Уиллер предложил назвать такие объекты «черными дырами». Почему бы и нет? В какой-то мере они черные, ведь мы их не можем увидеть. К тому же они все притягивают, в них можно упасть, прямо как в настоящую дыру. Да и выбраться из такого места согласно современным законам физики просто невозможно. Впрочем, Стивен Хокинг утверждает, что при путешествии сквозь черную дыру можно попасть в другую Вселенную, другой мир, а это уже надежда.

Страх бесконечности

Из-за излишней таинственности и романтизации черных дыр, эти объекты стали настоящей страшилкой среди людей. Желтая пресса любит спекулировать на неграмотности населения, выдавая в тираж изумительные истории о том, как на нашу Землю движется огромная черная дыра, которая в считанные часы поглотит Солнечную систему, или же просто излучает волны токсичного газа в сторону нашей планеты.

Особенно популярна тема уничтожения планеты с помощью Большого Адронного Коллайдера, который был построен в Европе в 2006 году на территории Европейского совета по ядерным исследованиям (CERN). Волна паники начиналась как чья-то глупая шутка, однако нарастала как снежный ком. Кто-то пустил слух, что в ускорителе частиц коллайдера может образоваться черная дыра, которая поглотит нашу планету целиком. Конечно же, возмущенный народ начал требовать запретить эксперименты в БАК, испугавшись такого исхода событий. В Европейский суд начали поступать иски с требованием закрыть коллайдер, а ученых, создавших его, наказать по всей строгости закона.

На самом деле физики не отрицают, что при столкновении частиц в Большом Адронном Коллайдере могут возникать объекты, похожие по свойствам на черные дыры, однако их размер находится на уровне размеров элементарных частиц, а существуют такие «дыры» столь недолго, что нам даже не удается зафиксировать их возникновение.

Одним из главных специалистов, которые пытаются развеять волну невежества перед людьми, является Стивен Хокинг – знаменитый физик-теоретик, который, к тому же, считается настоящим «гуру» относительно черных дыр. Хокинг доказал, что черные дыры не всегда поглощают свет, который появляется в аккреационных дисках, и его часть рассеивается в пространство. Такое явление было названо излучением Хокинга, или испарением черной дыры. Также Хокинг установил зависимость между размером черной дыры и скоростью ее «испарения» — чем она меньше, тем меньше существует во времени. А это значит, что всем противникам Большого Адронного Коллайдера не стоит переживать: черные дыры в нем не смогут просуществовать и миллионной доли секунды.

Ближайшая черная дыра к Земле

Насколько опасны подобные космические аномалии, сказать сложно. Размеры и расположение подобных объектов астрономы устанавливают, руководствуясь только окружающим пространством. Поэтому столкновение, если оно и произойдёт, не будет иметь никакого значения для жителей планеты Земля.

Ближайшая к нам черная дыра, которую определяют ученые это «Моноцеротес» (V616), также известный как Mon (V616). Удалена от нашей системы на безопасное расстояние (3 тысячи световых лет). Ее масса превышает массу Солнца в 9-13 раз.

Следующая ближайшая черная дыра («Сигнус икс-1») находится примерно в 6 тысяч световых лет. Она имеет примерно пятнадцатикратное массовое превышение над Солнцем.

Как образуются черные дыры?

Теоретически, такой взрыв может сжать массу вещества достаточно, чтобы ее радиус стал меньше или равен радиусу Шварцшильда, и она превратилась в черную дыру.

Чтобы вы понимали, типичная нейтронная звезда (то, что обычно остается от звезды после вспышки сверхновой) имеет радиус Шварцшильда около 1/3 от ее собственного радиуса. То есть среднестатистическая нейтронная звезда — это потенциально неудавшаяся черная дыра, которая была недостаточно сжата во время коллапса звезды, чтобы превратиться.

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

Типы Чёрных дыр

До сих пор астрономы выделяли три типа черных дыр: звездные черные дыры, сверхмассивные черные дыры и промежуточные черные дыры.

Звездные чёрные дыры

Когда звезда сжигает остатки своего топлива она может сжаться. Для более мелких звезд (которые примерно в три раза превышают массу Солнца) новое ядро станет нейтронной звездой или белым карликом. Но когда большая звезда коллапсирует, она продолжает сжиматься и создает звездную черную дыру .

Черные дыры, образованные коллапсом отдельных звезд, относительно невелики, но имеют очень большую плотность. Один из таких объектов содержит более чем в три раза больше массы Солнца. Это приводит к сумасшедшему количеству гравитационной силы, притягивающей объекты вокруг чёрной дыры. Затем звездные черные дыры поглощают пыль и газ из окружающих их галактик, что позволяет им расти в размерах.

Согласно данным Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, — Млечный Путь содержит несколько сотен миллионов звездных черных дыр.

Сверхмассивные черные дыры

Маленькие черные дыры населяют бесконечную вселенную, но их родственники, — сверхмассивные черные дыры, — доминируют над ними. Эти огромные черные дыры в миллионы или даже миллиарды раз массивнее Солнца, но примерно одинакового размера в диаметре. Считается, что такие черные дыры лежат в центре почти каждой галактики, включая Млечный Путь.

Возникновение:

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

• Сверхмассивные черные дыры могут быть результатом слияния сотен или тысяч крошечных черных дыр. 
• Большие газовые облака также могут быть причастны к формированию сверхмассивной дыры, — схлопываясь вместе, они быстро наращивают массу. 
• Третий вариант — это коллапс звездного скопления, когда все звезды падают вместе. 
• В-четвертых, сверхмассивные черные дыры могут возникать из больших скоплений темной материи. Это вещество, которое мы можем наблюдать через его гравитационное воздействие на другие объекты; однако мы не знаем, из чего состоит темная материя, потому что она не испускает свет и не может быть непосредственно наблюдаема.

Промежуточные черные дыры

Ученые когда-то думали, что черные дыры бывают только малых и больших размеров, но недавние исследования показали возможность существования средних или промежуточных черных дыр (IMBHs). Такие тела могут образовываться, когда звезды в скоплении сталкиваются в цепной реакции. Некоторые из этих промежуточных черных дыр, образующихся в одной и той же области, могут затем в конечном итоге столкнуться в центре галактики и создать сверхмассивную черную дыру.

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

Астрономы очень усердно искали эти черные дыры среднего размера, — говорится в заявлении соавтора исследования Тима Робертса из Университета Дарема в Великобритании. Были намеки, что они существуют, но IMBHs вели себя как давно потерянный родственник, который не заинтересован в том, чтобы его нашли.

Более новые исследования, начиная с 2018 года, предположили, что эти промежуточные черные дыры могут существовать в центре карликовых галактик (или очень маленьких галактик). Наблюдения 10 таких галактик (пять из которых были ранее неизвестны науке до этого последнего исследования) выявили рентгеновскую активность — обычную для черных дыр — предполагая наличие в них черных дыр с массой от 36 000 до 316 000 солнечных масс. Эта информация поступила от компании Sloan Digital Sky Survey, которая изучает около 1 миллиона галактик.

Откуда они вообще берутся?

Мы уже писали о том как образуются черные дыры (1 из вариантов) – это возможная, следующая фаза эволюции звезды. Это было предсказано общей теорией относительности Эйнштейна, которая говорит о том что когда умирает массивная звезда, от нее остается относительно небольшое и плотное ядро. Как показывает уравнение – если масса ядра более чем в 3 раза превышает массу солнца, то сила гравитации подавляет все остальные силы и создает черную дыру, вследствие критического сжатия материи.

как образуются черные дыры

Более того, во время коллапса происходит очень странная вещь, о чем описано на официальном сайте НАСА… По теории, звезда должна разрушиться вследствие сверхмощного сжатия, однако, так как ее поверхность приближается к аномальной зоне, именуемой «горизонтом событий» время замедляется, относительно времени внешнего наблюдателя, а когда звезда достигает горизонта событий, то оно вовсе останавливается и звезда уже не может разрушиться, получается замороженный коллапсирующий объект.

Кроме того, есть вероятность существования так называемых первичных черных дыр, которые были образованы во время зарождения вселенной. Гипотетически, если допустить что на начальной стадии развития вселенной были отклонения в неоднородности гравитационного поля и плотности материи, то путем гравитационного коллапса могли образовываться черные дыры. До сих пор такие объекты не были обнаружены, хотя и представляют ценность для изучения эффекта «испарения черных дыр» Стивена Хокинга.

Стивен Хокинг

В результате звездных столкновений, когда сталкиваются нейтронные звезды и черные дыры, возникает еще одна черная дыра. Такие выводы были сделаны учеными после анализа информации (мощные гамма-всплески), которая была зафиксирована телескопами Свифт и Хаббл.

Судя по количеству звезд, достаточно больших для образования черных дыр, ученые считают, что в одном только Млечном Пути насчитывается от десяти миллионов, до миллиардов черных дыр.

Еще одним из возможных механизмов образования сверхмассивных черных дыр является цепная реакция столкновений звезд в компактных звездных скоплениях, которая приводит к образованию чрезвычайно массивных звезд, которые затем разрушаются, образуя черные дыры средней массы. Звездные скопления затем опускаются в центр галактики, где черные дыры промежуточной массы сливаются, образуя сверхмассивную черную дыру.