В запутанных чертогах черных дыр сталкиваются две фундаментальные теории, описывающие наш мир. Существуют ли черные дыры на самом деле? Похоже, что да. Можно ли разрешить фундаментальные проблемы, которые всплывают при ближайшем рассмотрении черных дыр? Неизвестно. Чтобы понять, с чем имеют дело ученые, придется немного погрузиться в историю изучения этих необычных объектов. И начнем мы с того, что из всех сил, которые существуют в физике, есть одна, которую мы не понимаем вовсе: гравитация.

Гравитация - точка пересечения фундаментальной физики и астрономии, граница, на которой сталкиваются две самых фундаментальных теории, описывающих наш мир: квантовая теория и теория пространства-времени и гравитации Эйнштейна, она же общая теория относительности.

Черные дыры и гравитация

Две эти теории кажутся несовместимыми. И это даже не проблема. Они существуют в разных мирах, квантовая механика описывает очень малое, а ОТО описывает очень большое.

Только когда вы доходите до чрезвычайно малых масштабов и экстремальной гравитации, эти две теории сталкиваются и каким-то образом одна из них оказывается неверной. Во всяком случае, так следует из теории.

Но есть во Вселенной одно место, где мы могли бы фактически засвидетельствовать эту проблему, а может быть даже и решить: граница черной дыры. Именно здесь мы встречаем самую экстремальную гравитацию. Только вот есть одна проблема: никто никогда не «видел» черной дыры.

Что такое черная дыра?

Представьте, что вся драма в физическом мире разворачивается в театре пространства-времени, но гравитация - это единственная сила, которая фактически изменяет театр, в котором играет.

Сила гравитации управляет Вселенной, однако может даже и не быть силой в традиционном понимании. Эйнштейн описывал ее как следствие деформации пространства-времени. И, возможно, она просто не вписывается в Стандартную модель физики частиц.

Когда очень большая звезда взрывается в конце своего срока жизни, ее самая внутренняя часть обрушивается под действием собственной гравитации, поскольку для поддержания давления, действующего против силы тяжести, больше не хватает топлива. В конце концов, гравитация все-таки способна оказывать силу, похоже на это.

Материя коллапсирует и никакая сила в природе не может оставить этот коллапс.

За бесконечное время звезда коллапсирует в бесконечно малую точку: сингулярность, либо давайте назовем ее черной дырой. Но за конечное время, конечно, звездное ядро коллапсирует в нечто, имеющее конечные размеры, и все еще будет обладать огромной массой в бесконечно малой области. И тоже будет называться черной дырой.

Черные дыры не засасывают все вокруг

Примечательно то, что идея того, что черная дыра неизбежно засосет все в себя, - неверна

На самом деле, независимо от того, вращаетесь вы вокруг звезды или черной дыры, сформировавшейся из звезды, это не имеет значения, если масса остается прежней. Старая добрая центробежная сила и ваш угловой момент сохранят вас в безопасности и не дадут вам упасть.

И только когда вы включите свои ракетные тормоза, чтобы прервать вращение, вы начнете падать внутрь.

Однако, как только вы начнете падать в черную дыры, постепенно вы будете ускоряться до все более высоких скоростей, пока, наконец, не достигнете скорости света.

Почему квантовая теория и общая теория относительности несовместимы?

На данный момент все идет прахом, поскольку в соответствии с ОТО ничто не может двигаться быстрее скорости света.

Свет - это субстрат, используемый в квантовом мире для обмена силами и транспортировки информации в макромир. Свет определяет, как быстро вы можете соединить причину и следствия. Если вы будете двигаться быстрее света, вы сможете увидеть события и изменить вещи до того, как они произойдут. И у этого есть два последствия:

• В точке, где вы достигаете скорости света, падая внутрь, вам также необходимо вылететь из этой точки на еще большей скорости, что кажется невозможным. Следовательно, обыкновенная физическая мудрость скажет вам, что ничто не может покинуть черную дыру, преодолев этот барьер, который мы называем также «горизонтом событий».
• Из этого также следует, что внезапно нарушаются базовые принципы сохранения квантовой информации.

Верно ли это и как нам модифицировать теорию гравитации (или квантовой физики) - это вопросы, на которые ищут ответы очень многие физики. И никто из нас не может сказать, к каким аргументам мы придем в итоге.

Существуют ли черные дыры?

Очевидно, все это волнение было бы оправдано только в том случае, если бы черные дыры реально существовали в этой Вселенной. Так существуют ли они?

В прошлом столетии убедительно доказали, что некоторые двойные звезды с интенсивным рентгеновским излучением на самом деле являются звездами, коллапсировавшими в черные дыры.

Более того, в центрах галактик мы часто находим доказательства огромных, темных концентраций массы. Это могут быть сверхмассивные версии черных дыр, вероятно, образованных в процессе слияния множества звезд и газовых облаков, которые погрузились в центр галактики.

Доказательства убедительные, но косвенные. Гравитационные волны позволили нам хотя бы «услышать» слияние черных дыр, но сигнатура горизонта событий все еще неуловима и мы никогда не «видели» черных дыр до сих пор - они просто слишком малы, слишком далеки и, в большинстве случаев, слишком черные.

Как же выглядит черная дыра?

Если посмотреть прямо в черную дыру, вы увидите самую темную темноту, которую только можно представить.

Но непосредственное окружение черной дыры может быть достаточно ярким, поскольку газы закручиваются по спирали внутрь - замедляясь за счет сопротивления магнитных полей, которые они переносят.

Из-за магнитного трения газ нагревается до огромных температур в несколько десятков миллиардов градусов и начинает излучать ультрафиолетовое и рентгеновское излучение.

Ультрагорячие электроны, взаимодействующие с магнитным полем в газе, начинают производить интенсивное радиоизлучение. Таким образом, черные дыры могут светиться и могут быть окружены огненным кольцом, излучающим на разных длинах волн.

Кольцо огня с черным-черным центром

И все же, в самом центре горизонт событий улавливает, как хищная птица, каждый фотон, который подходит слишком близко.

Поскольку пространство искривлено огромной массой черной дыры, дорожки света также искривляются и даже образуют почти концентрические круги вокруг черной дыры, подобно серпантинам вокруг глубокой долины. Этот эффект кольца света был рассчитан уже в 1916 году известным математиком Дэвидом Гильбертом всего через несколько месяцев после того, как Альберт Эйнштейн завершил свою общую теорию относительности.

После многократного обхода черной дыры, некоторые из лучей света могут сбежать, а другие окажутся в горизонте событий. На этом замысловатом пути света вы буквально можете заглянуть в черную дыру. И «ничто», которое предстанет вашему взгляду, будет горизонтом событий.

Если бы вы сделали снимок черной дыры, вы бы увидели черную тень в окружении светящегося тумана света. Мы назвали эту особенность тенью черной дыры.

Что примечательно, эта тень кажется больше, чем можно было бы ожидать, если взять за исходную точку диаметр горизонта событий. Причина в том, что черная дыра действует как гигантская линза, усиливая себя.

Окружение тени будет представлено крошечным «фотонным кольцом» из-за света, который кружит вокруг черной дыры почти вечно. Кроме того, вы увидите больше колец света, возникающих вблизи горизонта событий, однако концентрирующихся вокруг тени черной дыры из-за эффекта линзирования.

Фантазия или реальность?

Может ли черная дыра быть сущей выдумкой, которую разве что на компьютере можно смоделировать? Или же ее можно увидеть на практике? Ответ: возможно.

Во Вселенной есть две относительно близлежащие сверхмассивные черные дыры, которые настолько велики и близки, что их тени могут быть запечатлены с использованием современных технологий.

В центре нашего Млечного Пути есть черные дыры на расстоянии 26 000 световых лет с массой в 4 миллиона раз больше массы Солнца и черная дыра в гигантской эллиптической галактике M87 (Messier 87) с массой в 3-6 миллиардов солнечных.

Разглядеть зерно горчицы в Нью-Йорке из Европы

По случайному совпадению, простые теории излучения предсказывают, что для обоих объектов излучение, генерируемое вблизи горизонта событий, будет излучаться на радиочастотах 230 Гц и выше.

Большинство из нас сталкивается с этими частотами только тогда, когда нам приходится проходить через сканер в современном аэропорту. Черные дыры же постоянно в них купаются.

У этого излучения очень короткая длина волны - порядка миллиметра - которая легко поглощается водой. Для того, чтобы телескоп мог наблюдать космические миллиметровые волны, он должен быть размещен высоко на сухой горе, чтобы избежать поглощения излучения в тропосфере Земли.

По сути, нам понадобится миллиметровый телескоп, который сможет увидеть объект размером с горчичное зерно в Нью-Йорке, находясь где-нибудь в Нидерландах. Этот телескоп будет в тысячу раз зорче космического телескопа «Хаббл», а для миллиметрового диапазона волн размер такого телескопа будет с Атлантический океан или больше.

Виртуальный телескоп размером с Землю

К счастью, нам не нужно покрывать Землю одной-единственной радиотарелкой, потому что мы можем построить виртуальный телескоп с таким же разрешением, объединив данные с телескопов в разных горах по всей Земле.

Этот метод называется апертурным синтезом и очень длинной базовой интерферометрией (VLBI). Идея достаточно старая и проверенная несколькими десятилетиями, однако только сейчас ее стало возможно применять на высоких радиочастотах.

Первые успешные эксперименты показали, что структуры горизонта событий могут быть исследованы в таких частотах. Теперь же есть все необходимое для проведения такого эксперимента в больших масштабах.

Работы уже ведутся

Проект BlackHoleCam - это европейский проект окончательного изображения, измерения и понимания астрофизических черных дыр. Европейский проект является частью глобальной коллаборации - консорциума Event Horizon Telescope, в который входит больше 200 ученых из Европы, Америк, Азии и Африки. Вместе они хотят сделать первый снимок черной дыры.

В апреле 2017 года они наблюдали галактический центр и M87 при помощи восьми телескопах на шести различных горах в Испании, Аризоне, Гавайях, Мексике, Чили и Южном полюсе.

Все телескопы были оснащены точными атомными часами для точной синхронизации их данных. Ученые записали несколько петабайт сырых данных, благодаря удивительно хорошим погодным условиям по всему миру в то время.

Фото черной дыры

Если ученым удастся увидеть горизонт событий, они будут знать, что проблемы, которые возникают на стыке квантовой теории и ОТО, не абстрактны, а очень даже реальны. Возможно, именно тогда их можно будет разрешить.

Сделать это можно, если получить более четкие изображения теней черных дыр, либо отследить звезды и пульсары на их пути вокруг черных дыр, используя все доступные методы для исследования этих объектов.

Возможно, именно черные дыры станут нашими экзотическими лабораториями в будущем.

Узнаем существуют ли черные дыры на самом деле и можно ли разрешить их фундаментальные проблемы?

В запутанных чертогах черных дыр сталкиваются две фундаментальные теории, описывающие наш мир. Существуют ли черные дыры на самом деле? Похоже, что да. Можно ли разрешить фундаментальные проблемы, которые всплывают при ближайшем рассмотрении черных дыр?

Черные дыры

• Черные дыры и гравитация
• Что такое черная дыра?
• Существуют ли черные дыры?
• Как же выглядит черная дыра?
• Фантазия или реальность?
• Работы уже ведутся
• Фото черной дыры

Неизвестно. Чтобы понять, с чем имеют дело ученые, придется немного погрузиться в историю изучения этих необычных объектов. И начнем мы с того, что из всех сил, которые существуют в физике, есть одна, которую мы не понимаем вовсе: гравитация.

Гравитация - точка пересечения фундаментальной физики и астрономии, граница, на которой сталкиваются две самых фундаментальных теории, описывающих наш мир: квантовая теория и теория пространства-времени и гравитации Эйнштейна, она же общая теория относительности.

Черные дыры и гравитация

Две эти теории кажутся несовместимыми. И это даже не проблема. Они существуют в разных мирах, квантовая механика описывает очень малое, а ОТО описывает очень большое.

Только когда вы доходите до чрезвычайно малых масштабов и экстремальной гравитации, эти две теории сталкиваются и каким-то образом одна из них оказывается неверной. Во всяком случае, так следует из теории.

Но есть во Вселенной одно место, где мы могли бы фактически засвидетельствовать эту проблему, а может быть даже и решить: граница черной дыры. Именно здесь мы встречаем самую экстремальную гравитацию. Только вот есть одна проблема: никто никогда не «видел» черной дыры.

Что такое черная дыра?

Представьте, что вся драма в физическом мире разворачивается в театре пространства-времени, но гравитация - это единственная сила, которая фактически изменяет театр, в котором играет.

Сила гравитации управляет Вселенной, однако может даже и не быть силой в традиционном понимании. Эйнштейн описывал ее как следствие деформации пространства-времени. И, возможно, она просто не вписывается в Стандартную модель физики частиц.

Когда очень большая звезда взрывается в конце своего срока жизни, ее самая внутренняя часть обрушивается под действием собственной гравитации, поскольку для поддержания давления, действующего против силы тяжести, больше не хватает топлива. В конце концов, гравитация все-таки способна оказывать силу, похоже на это.

Материя коллапсирует и никакая сила в природе не может оставить этот коллапс.

За бесконечное время звезда коллапсирует в бесконечно малую точку: сингулярность, либо давайте назовем ее черной дырой. Но за конечное время, конечно, звездное ядро коллапсирует в нечто, имеющее конечные размеры, и все еще будет обладать огромной массой в бесконечно малой области. И тоже будет называться черной дырой.

Черные дыры не засасывают все вокруг

Примечательно то, что идея того, что черная дыра неизбежно засосет все в себя, - неверна

На самом деле, независимо от того, вращаетесь вы вокруг звезды или черной дыры, сформировавшейся из звезды, это не имеет значения, если масса остается прежней. Старая добрая центробежная сила и ваш угловой момент сохранят вас в безопасности и не дадут вам упасть.

И только когда вы включите свои ракетные тормоза, чтобы прервать вращение, вы начнете падать внутрь.

Однако, как только вы начнете падать в черную дыры, постепенно вы будете ускоряться до все более высоких скоростей, пока, наконец, не достигнете скорости света.

Почему квантовая теория и общая теория относительности несовместимы?

На данный момент все идет прахом, поскольку в соответствии с ОТО ничто не может двигаться быстрее скорости света.

Свет - это субстрат, используемый в квантовом мире для обмена силами и транспортировки информации в макромир. Свет определяет, как быстро вы можете соединить причину и следствия. Если вы будете двигаться быстрее света, вы сможете увидеть события и изменить вещи до того, как они произойдут. И у этого есть два последствия:

• В точке, где вы достигаете скорости света, падая внутрь, вам также необходимо вылететь из этой точки на еще большей скорости, что кажется невозможным. Следовательно, обыкновенная физическая мудрость скажет вам, что ничто не может покинуть черную дыру, преодолев этот барьер, который мы называем также «горизонтом событий».
• Из этого также следует, что внезапно нарушаются базовые принципы сохранения квантовой информации.

Верно ли это и как нам модифицировать теорию гравитации (или квантовой физики) - это вопросы, на которые ищут ответы очень многие физики. И никто из нас не может сказать, к каким аргументам мы придем в итоге.

Существуют ли черные дыры?

Очевидно, все это волнение было бы оправдано только в том случае, если бы черные дыры реально существовали в этой Вселенной. Так существуют ли они?

В прошлом столетии убедительно доказали, что некоторые двойные звезды с интенсивным рентгеновским излучением на самом деле являются звездами, коллапсировавшими в черные дыры.

Более того, в центрах галактик мы часто находим доказательства огромных, темных концентраций массы. Это могут быть сверхмассивные версии черных дыр, вероятно, образованных в процессе слияния множества звезд и газовых облаков, которые погрузились в центр галактики.

Доказательства убедительные, но косвенные. Гравитационные волны позволили нам хотя бы «услышать» слияние черных дыр, но сигнатура горизонта событий все еще неуловима и мы никогда не «видели» черных дыр до сих пор - они просто слишком малы, слишком далеки и, в большинстве случаев, слишком черные.

Как же выглядит черная дыра?

Если посмотреть прямо в черную дыру, вы увидите самую темную темноту, которую только можно представить.

Но непосредственное окружение черной дыры может быть достаточно ярким, поскольку газы закручиваются по спирали внутрь - замедляясь за счет сопротивления магнитных полей, которые они переносят.

Из-за магнитного трения газ нагревается до огромных температур в несколько десятков миллиардов градусов и начинает излучать ультрафиолетовое и рентгеновское излучение.

Ультрагорячие электроны, взаимодействующие с магнитным полем в газе, начинают производить интенсивное радиоизлучение. Таким образом, черные дыры могут светиться и могут быть окружены огненным кольцом, излучающим на разных длинах волн.

Кольцо огня с черным-черным центром

И все же, в самом центре горизонт событий улавливает, как хищная птица, каждый фотон, который подходит слишком близко.

Поскольку пространство искривлено огромной массой черной дыры, дорожки света также искривляются и даже образуют почти концентрические круги вокруг черной дыры, подобно серпантинам вокруг глубокой долины. Этот эффект кольца света был рассчитан уже в 1916 году известным математиком Дэвидом Гильбертом всего через несколько месяцев после того, как Альберт Эйнштейн завершил свою общую теорию относительности.

После многократного обхода черной дыры, некоторые из лучей света могут сбежать, а другие окажутся в горизонте событий. На этом замысловатом пути света вы буквально можете заглянуть в черную дыру. И «ничто», которое предстанет вашему взгляду, будет горизонтом событий.

Если бы вы сделали снимок черной дыры, вы бы увидели черную тень в окружении светящегося тумана света. Мы назвали эту особенность тенью черной дыры.

Что примечательно, эта тень кажется больше, чем можно было бы ожидать, если взять за исходную точку диаметр горизонта событий. Причина в том, что черная дыра действует как гигантская линза, усиливая себя.

Окружение тени будет представлено крошечным «фотонным кольцом» из-за света, который кружит вокруг черной дыры почти вечно. Кроме того, вы увидите больше колец света, возникающих вблизи горизонта событий, однако концентрирующихся вокруг тени черной дыры из-за эффекта линзирования.

Фантазия или реальность?

Может ли черная дыра быть сущей выдумкой, которую разве что на компьютере можно смоделировать? Или же ее можно увидеть на практике? Ответ: возможно.

Во Вселенной есть две относительно близлежащие сверхмассивные черные дыры, которые настолько велики и близки, что их тени могут быть запечатлены с использованием современных технологий.

В центре нашего Млечного Пути есть черные дыры на расстоянии 26 000 световых лет с массой в 4 миллиона раз больше массы Солнца и черная дыра в гигантской эллиптической галактике M87 (Messier 87) с массой в 3-6 миллиардов солнечных.

Разглядеть зерно горчицы в Нью-Йорке из Европы

По случайному совпадению, простые теории излучения предсказывают, что для обоих объектов излучение, генерируемое вблизи горизонта событий, будет излучаться на радиочастотах 230 Гц и выше.

Большинство из нас сталкивается с этими частотами только тогда, когда нам приходится проходить через сканер в современном аэропорту. Черные дыры же постоянно в них купаются.

У этого излучения очень короткая длина волны - порядка миллиметра - которая легко поглощается водой. Для того, чтобы телескоп мог наблюдать космические миллиметровые волны, он должен быть размещен высоко на сухой горе, чтобы избежать поглощения излучения в тропосфере Земли.

По сути, нам понадобится миллиметровый телескоп, который сможет увидеть объект размером с горчичное зерно в Нью-Йорке, находясь где-нибудь в Нидерландах. Этот телескоп будет в тысячу раз зорче космического телескопа «Хаббл», а для миллиметрового диапазона волн размер такого телескопа будет с Атлантический океан или больше.

Виртуальный телескоп размером с Землю

К счастью, нам не нужно покрывать Землю одной-единственной радиотарелкой, потому что мы можем построить виртуальный телескоп с таким же разрешением, объединив данные с телескопов в разных горах по всей Земле.

Этот метод называется апертурным синтезом и очень длинной базовой интерферометрией (VLBI). Идея достаточно старая и проверенная несколькими десятилетиями, однако только сейчас ее стало возможно применять на высоких радиочастотах.

Первые успешные эксперименты показали, что структуры горизонта событий могут быть исследованы в таких частотах. Теперь же есть все необходимое для проведения такого эксперимента в больших масштабах.

Работы уже ведутся

Проект BlackHoleCam - это европейский проект окончательного изображения, измерения и понимания астрофизических черных дыр. Европейский проект является частью глобальной коллаборации - консорциума Event Horizon Telescope, в который входит больше 200 ученых из Европы, Америк, Азии и Африки. Вместе они хотят сделать первый снимок черной дыры.

В апреле 2017 года они наблюдали галактический центр и M87 при помощи восьми телескопах на шести различных горах в Испании, Аризоне, Гавайях, Мексике, Чили и Южном полюсе.

Все телескопы были оснащены точными атомными часами для точной синхронизации их данных. Ученые записали несколько петабайт сырых данных, благодаря удивительно хорошим погодным условиям по всему миру в то время.

Фото черной дыры

Если ученым удастся увидеть горизонт событий, они будут знать, что проблемы, которые возникают на стыке квантовой теории и ОТО, не абстрактны, а очень даже реальны. Возможно, именно тогда их можно будет разрешить.

Сделать это можно, если получить более четкие изображения теней черных дыр, либо отследить звезды и пульсары на их пути вокруг черных дыр, используя все доступные методы для исследования этих объектов.

Возможно, именно черные дыры станут нашими экзотическими лабораториями в будущем.

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта .

Черная дыра - это область пространства, которая обладает таким притяжением, что даже свет не может ее покинуть. Идея существования таких объектов появилась еще в конце XVIII века, когда английский естествоиспытатель Джон Митчелл предположил, что если размеры звезды будут очень маленькими, а масса - очень большой, то она не будет светить, потому что ее притяжение просто не даст свету вырваться (Митчелл представлял себе свет состоящим из частиц).

В современной науке существование черных дыр предсказывает теория относительности. Гравитацию в соответствии с этой теорией наглядно так: представим себе ткань, а лучше лист резины, на который кладут камни. Камни продавливают его сильнее или слабее в зависимости от своего веса, а более легкие катятся туда, где более тяжелые продавили яму поглубже. Поэтому планеты «притягивают» спутники, Солнце «притягивает» планеты и так далее.

Остерегайтесь черных дыр и водопадов

Используя эту метафору, Стивен Хокинг объясняет черные дыры так: представим, что мы кладем на резину очень тяжелый и компактный камень, он продавливает в ней бездонную яму, в которую вещество падает безвозвратно.

Граница черной дыры называется горизонтом событий, за этим горизонтом скорость, с которой нужно двигаться, чтобы вырваться из черной дыры, должна превышать скорость света - задача невозможная. Представить это себе можно как падение на лодке в водопад: чем ближе к водопаду, тем сильнее нужно грести, чтобы не затянуло, но с какого-то момента как ни старайся - вырваться уже не получится, вы падаете, но в случае черной дыры на дне вас ждут не острые камни, а загадочная сингулярность.

В области сингулярности плотность материи становится бесконечной. Говорят , может даже образоваться туннель в другую Вселенную. Но это все слухи, а что там на самом деле происходит - никто не знает.

Все это звучит странно и загадочно, но в том, что черные дыры существуют, астрофизики : например, долгожданное открытие , порожденных столкновением двух черных дыр, - весомое подтверждение их существования.

Откуда берутся черные дыры

Черные дыры звездных масс образуются из звезд массой в 3−5 раз больше солнечной (поэтому наше Солнце черной дырой не станет, оно превратиться в белого карлика через миллиарды лет). «Топливо» для термоядерных реакций в звездах не бесконечно, и, когда оно заканчивается, звезда «схлопывается» и вспыхивает сверхновой.

А вот откуда берутся сверхмассивные черные дыры, неизвестно. На этот счет есть только предположения, такие как схлопывание массивных облаков газа на ранних стадиях образования галактик, разрастание черных дыр звездной массы за счет поглощения материи или слияния множества таких дыр в одну сверхмассивную. Недостатка в предположениях нет, а вот с наблюдениями дело обстоит сложнее.

Как увидеть черную дыру

Увидеть саму черную дыру нельзя, на что намекает ее название, а вот падающее в нее вещество - можно. В центрах многих галактик находятся черные дыры массой в миллионы больше солнечной. Они притягивают пыль, газ и звезды. Из этого вещества вокруг черной дыры образуется аккреционный диск. В нем материя закручивается, как в воронке, перед тем как упасть в черную дыру, и из-за трения разогревается, благодаря чему начинает ярко светиться во всем спектре. При падении же материи в черную дыру давление излучения и влияние магнитного поля у границы черный дыры отбрасывают часть вещества далеко от нее.

Сверхмассивная черная дыра в центре нашей Галактики называется Стрелец A*. Словосочетание «наша Галактика» звучит как-то по-домашнему, будто до центра ее рукой подать, но на самом деле черная дыра находится от нас в 25 тысячах световых лет, масса ее - в 4 миллиона раз больше солнечной.

Разглядеть ее на таком расстоянии очень сложно - все равно что пытаться увидеть теннисный мячик на Луне, и необходимая для этого острота «зрения» доступна лишь радиотелескопам благодаря приему , который позволяет объединить телескопы в разных уголках земного шара в один огромный виртуальный телескоп. Так, проект Event Horizon Telescope объединит наблюдения телескопов в США, Испании, Мексике, Чили и даже в Антарктиде.

Второй объект для наблюдения - черная дыра в центре галактики M 87 Она примерно в 6 миллионов раз массивнее Солнца, но и находится существенно дальше - в 53 миллионах световых лет от нас.

На что похожа черная дыра

Результаты наблюдений будут опубликованы только в следующем году, а пока, чтобы примерно представить себе, что могут увидеть телескопы, можно полюбоваться на черную дыру в фильме «Интерстеллар», создатели которого постарались сделать картину как можно более правильной с научной точки зрения.

Правильность этой картинки в том, что аккреционный диск за черной дырой выглядит не как кольца у Сатурна, а выглядывает из-за черной дыры, потому что ее сильное гравитационное поле искажает путь, который проходит излучение аккреционного диска. Впрочем, есть и отличие от «Интерстеллара»: с одной стороны аккреционный диск из-за его вращения должен выглядеть ярче.

В результате изображение должно получиться похожим на картинку, которую астрофизик Жан-Пьер Люмине (Jean-Pierre Luminet) смоделировал в 1978-м еще на компьютере IBM 7040 , работавшем на перфокартах, и нарисовал от руки для статьи в журнале Astronomy and Astrophysics.

Теоретически в черную дыру может превратиться любое космическое тело. Например, такой планете, как Земля, для этого нужно сжаться до радиуса в несколько миллиметров, что на практике, конечно, маловероятно. В новом выпуске с премией «Просветитель» T&P публикуют отрывок из книги физика Эмиля Ахмедова «О рождении и смерти черных дыр» , в котором объясняется, как небесные тела превращаются в черные дыры и можно ли их разглядеть на звездном небе.

Как образуются черные дыры?

*Если какая-то сила сожмет небесное тело до соответствующего его массе радиуса Шварцшильда, то оно настолько искривит пространство–время, что даже свет не сможет его покинуть. Это и означает, что тело станет черной дырой.

Например, для звезды с массой Солнца радиус Шварцшильда приблизительно равен трем километрам. Сравните эту величину с настоящим размером Солнца - 700 000 километров. В то же время для планеты с массой Земли радиус Шварцшильда равен нескольким миллиметрам.

[…]Только гравитационная сила способна сжать небесное тело до таких маленьких размеров, как его шварцшильдовский радиус*, так как только гравитационное взаимодействие ведет исключительно к притяжению, и фактически неограниченно возрастает при увеличении массы. Электромагнитное взаимодействие между элементарными частицами на много порядков сильнее гравитационного. Однако любой электрический заряд, как правило, оказывается компенсированным зарядом противоположного знака. Гравитационный заряд - массу ничто не может заэкранировать.

Такая планета, как Земля, не сжимается под собственной тяжестью до соответствующих размеров Шварцшильда потому, что ее массы недостаточно для преодоления электромагнитного расталкивания ядер, атомов и молекул, из которых она состоит. А такая звезда, как Солнце, являясь намного более массивным объектом, не сжимается из-за сильного газодинамического давления за счет высокой температуры в его недрах.

Заметим, что для очень массивных звезд, с массой больше ста Солнц, сжатие не происходит в основном из-за сильного светового давления. Для звезд массивнее двухсот Солнц ни газодинамического и ни светового давления оказывается не достаточно, чтобы предотвратить катастрофическое сжатие (коллапс) такой звезды в черную дыру. Однако ниже речь пойдет об эволюции более легких звезд.

Свет и высокая температура звезд являются продуктами термоядерных реакций. Такая реакция идет потому, что в недрах звезд достаточно водорода и вещество сильно сжато под давлением всей массы звезды. Сильное сжатие позволяет преодолеть электромагнитное отталкивание одинаковых зарядов ядер водорода, ведь термоядерная реакция - это слияние ядер водорода в ядро гелия, сопровождающееся большим выделением энергии.

Рано или поздно количество термоядерного топлива (водорода) сильно сократится, световое давление ослабнет, температура упадет. Если масса звезды достаточно мала, как, например, у Солнца, то она пройдет через фазу красного гиганта и превратится в белый карлик.

Если же ее масса велика, то звезда начнет сжиматься под собственной тяжестью. Произойдет коллапс, который мы можем увидеть как взрыв сверхновой. Это очень сложный процесс, состоящий из многих фаз, и пока не все его детали ясны ученым, но многое уже понятно. Известно, например, что дальнейшая судьба звезды зависит от ее массы в момент перед коллапсом. Результатом такого сжатия может быть либо нейтронная звезда, либо черная дыра, или же комбинация из нескольких подобных объектов и белых карликов.

«Черные дыры являются результатом коллапса самых тяжелых звезд»

Нейтронные звезды и белые карлики не коллапсируют до состояния черной дыры, так как их массы недостаточно, чтобы преодолеть давление нейтронного или электронного газа соответственно. Эти давления обусловлены квантовыми эффектами, вступающими в силу после очень сильного сжатия. Обсуждение последних не имеет непосредственного отношения к физике черных дыр и выходит за рамки данной книги.

Однако если, например, нейтронная звезда находится в двойной звездной системе, то она может притягивать материю со звезды компаньона. В таком случае ее масса будет расти и, если она превысит некоторое критическое значение, опять произойдет коллапс, уже с образованием черной дыры. Критическая масса определяется из условия, что газ нейтронов создает недостаточное давление, чтобы удержать ее от дальнейшего сжатия.

*Это приблизительная оценка. Точное значение предела пока не известно. - Прим. автора.

Итак, черные дыры являются результатом коллапса самых тяжелых звезд. В современном представлении масса сердцевины звезды после выгорания термоядерного топлива должна составлять не менее двух с половиной солнечных*. Никакое известное нам состояние вещества не способно создать такое давление, которое удержало бы столь большую массу от сжатия до состояния черной дыры, если выгорело все термоядерное топливо. Факты, экспериментально подтверждающие упомянутое ограничение на массу звезды для образования черной дыры, мы обсудим чуть позже, когда будет рассказано, как астрономы обнаруживают черные дыры. […]

Рис. 7. Неверное представление о коллапсе с точки зрения стороннего наблюдателя как о замедляющемся вечном падении вместо формирования горизонта черной дыры

В связи с нашим обсуждением поучительно будет на примере вспомнить о взаимосвязи различных идей и представлений в науке. Этот рассказ, возможно, позволит читателю ощутить, насколько потенциально глубок обсуждаемый вопрос.

Известно, что Галилей пришел к тому, что сейчас называется законом Ньютона об инерциальных системах отсчета, отвечая на критику системы Коперника. Критика заключалась в том, что Земля не может вращаться вокруг Солнца по причине того, что иначе мы бы не удержались на ее поверхности.

В ответ Галилей утверждал, что Земля вращается вокруг Солнца по инерции. А инерциальное движение мы не можем отличить от покоя, так же как не ощущаем инерциальное движение, например, корабля. При этом он не верил в гравитационные силы между планетами и звездами, так как не верил в действие на расстоянии, а про существование полей он и вовсе не мог знать. Да и не принял бы столь абстрактного на тот момент объяснения.

Галилей считал, что инерциальное движение может происходить только по идеальной кривой, то есть Земля может двигаться только по окружности или же по окружности, центр которой, в свою очередь, вращается по окружности вокруг Солнца. То есть может существовать наложение разных инерциальных движений. Последний тип движения можно усложнить, добавив еще больше окружностей в композиции. Такое вращение называется движением по эпициклам. Оно было придумано еще для согласования птолемеевой системы с наблюдаемыми положениями планет.

Кстати, в момент своего создания система Коперника описывала наблюдаемые явления гораздо хуже системы Птолемея. Так как Коперник тоже верил только в движение по идеальным окружностям, у него получалось, что центры орбит некоторых планет находились за пределами Солнца. (Последнее являлось одной из причин задержки публикации Коперником своих работ. Ведь он верил в свою систему исходя из эстетических соображений, а наличие странных смещений центров орбит за пределы Солнца в эти соображения не вписывались.)

Поучительно то, что в принципе система Птолемея могла описывать наблюдаемые данные с любой наперед заданной точностью - нужно было только добавить необходимое число эпициклов. Однако, несмотря на все логические противоречия в исходных представлениях ее создателей, только система Коперника могла привести к концептуальному перевороту в наших взглядах на природу - к закону всемирного тяготения, который описывает как движение планет, так и падение яблока на голову Ньютона, а в дальнейшем и к понятию поля.

Поэтому Галилей отрицал кеплеровское движение планет по эллипсам. Они с Кеплером обменивались письмами, которые были написаны в довольно-таки раздражительном тоне*. И это несмотря на их полную поддержку одной и той же планетарной системы.

Итак, Галилей считал, что Земля движется вокруг Солнца по инерции. С точки зрения механики Ньютона это явная ошибка, так как на Землю действует гравитационная сила. Однако с точки зрения общей теории относительности Галилей должен быть прав: в силу этой теории, в гравитационном поле тела движутся по инерции по крайней мере тогда, когда их собственной гравитацией можно пренебречь. Такое движение происходит по так называемой геодезической кривой. В плоском пространстве это просто прямая мировая линия, а в случае планеты Солнечной системы это такая геодезическая мировая линия, которая отвечает эллиптической траектории, а не обязательно круговой. К сожалению, Галилей этого не мог знать.

Однако из общей теории относительности известно, что движение происходит по геодезической, только если можно пренебречь искривлением пространства самим движущимся телом (планетой) и считать, что оно искривляется исключительно гравитирующим центром (Солнцем). Возникает естественный вопрос: так прав ли был Галилей по поводу инерциальности движения Земли вокруг Солнца? И хотя это уже и не столь важный вопрос, так как теперь мы знаем причину, по которой люди не слетают с Земли, возможно, он имеет отношение к геометрическому описанию гравитации.

Как можно «увидеть» черную дыру?

[…] Перейдем теперь к обсуждению того, как черные дыры наблюдаются на звездном небе. Если черная дыра поглотила все вещество, которое ее окружало, то ее можно увидеть только через искажение лучей света от дальних звезд. То есть если бы недалеко от нас оказалась черная дыра в таком чистом виде, то мы увидели бы примерно то, что изображено на обложке. Но даже встретив подобное явление, нельзя быть уверенным, что это черная дыра, а не просто массивное, несветящееся тело. Требуется определенная работа, чтобы отличить одно от другого.

Однако в реальности черные дыры окружены облаками, содержащими элементарные частицы, пыль, газы, метеориты, планеты и даже звезды. Поэтому астрономы наблюдают нечто вроде картинки, изображенной на рис. 9. Но как они делают вывод, что это именно черная дыра, а не какая-нибудь звезда?

Рис. 9. Реальность гораздо прозаичней, и нам приходится наблюдать черные дыры в окружении различных небесных тел, газов и облаков пыли

Для начала выбирают определенного размера область на звездном небе, как правило, в двойной звездной системе или в активном ядре галактики. По спектрам излучения, исходящего из нее, определяется масса и поведение вещества в ней. Далее фиксируют, что от рассматриваемого объекта исходит излучение, как от падающих в гравитационном поле частиц, а не только от термоядерных реакций, идущих в недрах звезд. Излучение, являющееся, в частности, результатом взаимного трения падающей на небесное тело материи, содержит значительно более энергичное гамма-излучение, чем результат термоядерной реакции.

«Черные дыры окружены облаками, содержащими элементарные частицы, пыль, газы, метеориты, планеты и даже звезды»

Если наблюдаемая область достаточно мала, не является пульсаром и в ней сосредоточена большая масса, то делается вывод, что это черная дыра. Во-первых, теоретически предсказано, что после выгорания термоядерного топлива не существует никакого состояния вещества, которое могло бы создавать давление, способное предотвратить коллапс столь большой массы в столь маленькой области.

Во-вторых, как только что было подчеркнуто, рассматриваемые объекты не должны быть пульсарами. Пульсар - это нейтронная звезда, которая, в отличие от черной дыры, имеет поверхность и ведет себя как большой магнит, что является одной из тех самых более тонких характеристик электромагнитного поля, чем заряд. Нейтронные звезды, являясь результатом очень сильного сжатия исходных вращающихся звезд, совершают еще более быстрые вращения, ибо угловой момент должен сохраняться. Это приводит к тому, что такие звезды создают магнитные поля, меняющиеся во времени. Последние играют основную роль при образовании характерного пульсирующего излучения.

Все найденные на данный момент пульсары имеют массу меньше двух с половиной масс Солнца. Источники характерного энергичного гамма-излучения, масса которых превышает этот предел, не являются пульсарами. Как видно, этот предел массы совпадает с теоретическими предсказаниями, сделанными исходя из известных нам состояний вещества.

Все это, хотя и не является прямым наблюдением, представляет собой достаточно убедительную аргументацию в пользу того, что астрономы видят именно черные дыры, а не что-либо другое. Хотя что можно считать прямым наблюдением, а что нет - является большим вопросом. Ведь вы, читатель, видите не саму книгу, а лишь рассеянный ею свет. И только совокупность тактильных и визуальных ощущений убеждает вас в реальности ее существования. Точно так же и ученые делают вывод о реальности существования того или иного объекта на основании всей совокупности наблюдаемых ими данных.

В запутанных чертогах черных дыр сталкиваются две фундаментальные теории, описывающие наш мир. Существуют ли черные дыры на самом деле? Похоже, что да. Можно ли разрешить фундаментальные проблемы, которые всплывают при ближайшем рассмотрении черных дыр? Неизвестно. Чтобы понять, с чем имеют дело ученые, придется немного погрузиться в историю изучения этих необычных объектов. И начнем мы с того, что из всех сил, которые существуют в физике, есть одна, которую мы не понимаем вовсе: гравитация.

Гравитация - точка пересечения фундаментальной физики и астрономии, граница, на которой сталкиваются две самых фундаментальных теории, описывающих наш мир: квантовая теория и теория пространства-времени и гравитации Эйнштейна, она же общая теория относительности.

Черные дыры и гравитация

Две эти теории кажутся несовместимыми. И это даже не проблема. Они существуют в разных мирах, квантовая механика описывает очень малое, а ОТО описывает очень большое.

Только когда вы доходите до чрезвычайно малых масштабов и экстремальной гравитации, эти две теории сталкиваются и каким-то образом одна из них оказывается неверной. Во всяком случае, так следует из теории.

Но есть во Вселенной одно место, где мы могли бы фактически засвидетельствовать эту проблему, а может быть даже и решить: граница черной дыры. Именно здесь мы встречаем самую экстремальную гравитацию. Только вот есть одна проблема: никто никогда не «видел» черной дыры.

Что такое черная дыра?

Представьте, что вся драма в физическом мире разворачивается в театре пространства-времени, но гравитация - это единственная сила, которая фактически изменяет театр, в котором играет.

Сила гравитации управляет Вселенной, однако может даже и не быть силой в традиционном понимании. Эйнштейн описывал ее как следствие деформации пространства-времени. И, возможно, она просто не вписывается в Стандартную модель физики частиц.

Когда очень большая звезда взрывается в конце своего срока жизни, ее самая внутренняя часть обрушивается под действием собственной гравитации, поскольку для поддержания давления, действующего против силы тяжести, больше не хватает топлива. В конце концов, гравитация все-таки способна оказывать силу, похоже на это.

Материя коллапсирует и никакая сила в природе не может оставить этот коллапс.

За бесконечное время звезда коллапсирует в бесконечно малую точку: сингулярность, либо давайте назовем ее черной дырой. Но за конечное время, конечно, звездное ядро коллапсирует в нечто, имеющее конечные размеры, и все еще будет обладать огромной массой в бесконечно малой области. И тоже будет называться черной дырой.

Черные дыры не засасывают все вокруг

Примечательно то, что идея того, что черная дыра неизбежно засосет все в себя, - неверна

На самом деле, независимо от того, вращаетесь вы вокруг звезды или черной дыры, сформировавшейся из звезды, это не имеет значения, если масса остается прежней. Старая добрая центробежная сила и ваш угловой момент сохранят вас в безопасности и не дадут вам упасть.

И только когда вы включите свои ракетные тормоза, чтобы прервать вращение, вы начнете падать внутрь.

Однако, как только вы начнете падать в черную дыры, постепенно вы будете ускоряться до все более высоких скоростей, пока, наконец, не достигнете скорости света.

Почему квантовая теория и общая теория относительности несовместимы?

На данный момент все идет прахом, поскольку в соответствии с ОТО ничто не может двигаться быстрее скорости света.

Свет - это субстрат, используемый в квантовом мире для обмена силами и транспортировки информации в макромир. Свет определяет, как быстро вы можете соединить причину и следствия. Если вы будете двигаться быстрее света, вы сможете увидеть события и изменить вещи до того, как они произойдут. И у этого есть два последствия:

• В точке, где вы достигаете скорости света, падая внутрь, вам также необходимо вылететь из этой точки на еще большей скорости, что кажется невозможным. Следовательно, обыкновенная физическая мудрость скажет вам, что ничто не может покинуть черную дыру, преодолев этот барьер, который мы называем также «горизонтом событий».
• Из этого также следует, что внезапно нарушаются базовые принципы сохранения квантовой информации.

Верно ли это и как нам модифицировать теорию гравитации (или квантовой физики) - это вопросы, на которые ищут ответы очень многие физики. И никто из нас не может сказать, к каким аргументам мы придем в итоге.

Существуют ли черные дыры?

Очевидно, все это волнение было бы оправдано только в том случае, если бы черные дыры реально существовали в этой Вселенной. Так существуют ли они?

В прошлом столетии убедительно доказали, что некоторые двойные звезды с интенсивным рентгеновским излучением на самом деле являются звездами, коллапсировавшими в черные дыры.

Более того, в центрах галактик мы часто находим доказательства огромных, темных концентраций массы. Это могут быть сверхмассивные версии черных дыр, вероятно, образованных в процессе слияния множества звезд и газовых облаков, которые погрузились в центр галактики.

Доказательства убедительные, но косвенные. позволили нам хотя бы «услышать» слияние черных дыр, но сигнатура горизонта событий все еще неуловима и мы никогда не «видели» черных дыр до сих пор - они просто слишком малы, слишком далеки и, в большинстве случаев, слишком черные.

Как же выглядит черная дыра?

Если посмотреть прямо в черную дыру, вы увидите самую темную темноту, которую только можно представить.

Но непосредственное окружение черной дыры может быть достаточно ярким, поскольку газы закручиваются по спирали внутрь - замедляясь за счет сопротивления магнитных полей, которые они переносят.

Из-за магнитного трения газ нагревается до огромных температур в несколько десятков миллиардов градусов и начинает излучать ультрафиолетовое и рентгеновское излучение.

Ультрагорячие электроны, взаимодействующие с магнитным полем в газе, начинают производить интенсивное радиоизлучение. Таким образом, черные дыры могут светиться и могут быть окружены огненным кольцом, излучающим на разных длинах волн.

Кольцо огня с черным-черным центром

И все же, в самом центре горизонт событий улавливает, как хищная птица, каждый фотон, который подходит слишком близко.

Поскольку пространство искривлено огромной массой черной дыры, дорожки света также искривляются и даже образуют почти концентрические круги вокруг черной дыры, подобно серпантинам вокруг глубокой долины. Этот эффект кольца света был рассчитан уже в 1916 году известным математиком Дэвидом Гильбертом всего через несколько месяцев после того, как Альберт Эйнштейн завершил свою общую теорию относительности.

После многократного обхода черной дыры, некоторые из лучей света могут сбежать, а другие окажутся в горизонте событий. На этом замысловатом пути света вы буквально можете заглянуть в черную дыру. И «ничто», которое предстанет вашему взгляду, будет горизонтом событий.

Если бы вы сделали снимок черной дыры, вы бы увидели черную тень в окружении светящегося тумана света. Мы назвали эту особенность тенью черной дыры.

Что примечательно, эта тень кажется больше, чем можно было бы ожидать, если взять за исходную точку диаметр горизонта событий. Причина в том, что черная дыра действует как гигантская линза, усиливая себя.

Окружение тени будет представлено крошечным «фотонным кольцом» из-за света, который кружит вокруг черной дыры почти вечно. Кроме того, вы увидите больше колец света, возникающих вблизи горизонта событий, однако концентрирующихся вокруг тени черной дыры из-за эффекта линзирования.

Фантазия или реальность?

Может ли черная дыра быть сущей выдумкой, которую разве что на компьютере можно смоделировать? Или же ее можно увидеть на практике? Ответ: возможно.

Во Вселенной есть две относительно близлежащие сверхмассивные черные дыры, которые настолько велики и близки, что их тени могут быть запечатлены с использованием современных технологий.

В центре нашего Млечного Пути есть черные дыры на расстоянии 26 000 световых лет с массой в 4 миллиона раз больше массы Солнца и черная дыра в гигантской эллиптической галактике M87 (Messier 87) с массой в 3-6 миллиардов солнечных.

Разглядеть зерно горчицы в Нью-Йорке из Европы

По случайному совпадению, простые теории излучения предсказывают, что для обоих объектов излучение, генерируемое вблизи горизонта событий, будет излучаться на радиочастотах 230 Гц и выше.

Большинство из нас сталкивается с этими частотами только тогда, когда нам приходится проходить через сканер в современном аэропорту. Черные дыры же постоянно в них купаются.

У этого излучения очень короткая длина волны - порядка миллиметра - которая легко поглощается водой. Для того, чтобы телескоп мог наблюдать космические миллиметровые волны, он должен быть размещен высоко на сухой горе, чтобы избежать поглощения излучения в тропосфере Земли.

По сути, нам понадобится миллиметровый телескоп, который сможет увидеть объект размером с горчичное зерно в Нью-Йорке, находясь где-нибудь в Нидерландах. Этот телескоп будет в тысячу раз зорче космического телескопа «Хаббл», а для миллиметрового диапазона волн размер такого телескопа будет с Атлантический океан или больше.

Виртуальный телескоп размером с Землю

К счастью, нам не нужно покрывать Землю одной-единственной радиотарелкой, потому что мы можем построить виртуальный телескоп с таким же разрешением, объединив данные с телескопов в разных горах по всей Земле.

Этот метод называется апертурным синтезом и очень длинной базовой интерферометрией (VLBI). Идея достаточно старая и проверенная несколькими десятилетиями, однако только сейчас ее стало возможно применять на высоких радиочастотах.

Первые успешные эксперименты показали, что структуры горизонта событий могут быть исследованы в таких частотах. Теперь же есть все необходимое для проведения такого эксперимента в больших масштабах.

Работы уже ведутся

Проект BlackHoleCam - это европейский проект окончательного изображения, измерения и понимания астрофизических черных дыр. Европейский проект является частью глобальной коллаборации - консорциума Event Horizon Telescope, в который входит больше 200 ученых из Европы, Америк, Азии и Африки. Вместе они хотят сделать первый снимок черной дыры.

В апреле 2017 года они наблюдали галактический центр и M87 при помощи восьми телескопах на шести различных горах в Испании, Аризоне, Гавайях, Мексике, Чили и Южном полюсе.

Все телескопы были оснащены точными атомными часами для точной синхронизации их данных. Ученые записали несколько петабайт сырых данных, благодаря удивительно хорошим погодным условиям по всему миру в то время.

Фото черной дыры

Если ученым удастся увидеть горизонт событий, они будут знать, что проблемы, которые возникают на стыке квантовой теории и ОТО, не абстрактны, а очень даже реальны. Возможно, именно тогда их можно будет разрешить.

Сделать это можно, если получить более четкие изображения теней черных дыр, либо отследить звезды и пульсары на их пути вокруг черных дыр, используя все доступные методы для исследования этих объектов.

Возможно, именно черные дыры станут нашими экзотическими лабораториями в будущем.