Яка маса у чорної діри

ПРО ЧОРНУ ДИРУ В ЦЕНТРІ НАШОЇ ГАЛАКТИКИ

У центрі кожної галактики знаходиться надмасивна чорна діра. Наша галактика - Чумацький Шлях - не виняток. чорною діркою. Він закритий від нас щільними пиловими і газовими хмарами, що розсіюють і поглинають левову частку його випромінювання в діапазоні довжин хвиль коротше міліметра.

Institute for Advanced Study

вночі та малюнок холодного акреційного диска навколо нашої галактичної чорної діри

Центр галактики - це щільний і багатий на різні структури регіон (див. мал. 1 і 2). , що переважно складається з

холодного молекулярного газу, і мініспіраль, яка насправді являє собою три газові потоки, що несуть «паливо» до чорної дірки. визначає рух об'єктів усередині області з радіусом 0.3 парсеків довкола центру галактики. парсека (або 100 тис. шварцшильдівських радіусів) знаходиться радіус Бонді. Усередині нього теплової енергії газу недостатньо, щоб подолати потенційний бар'єр і уникнути падіння в чорну діру. На масштабах менше радіуса Бонді (див. врізання на рис.1) відзначено орбіту зірки S02, яка підлітає до чорної дірки на найближчу відстань - всього 120 астрономічних одиниць. Там же для масштабу вказана траєкторія об'єкта G2, природа якого невідома, але є припущення, що це або газова хмара, або дві зірки, що злилися, оточені хмарою газу та пилу. Площина диска нашої галактики зображена жовтою лінією. Оскільки ми знаходимося всередині цього диска, то й бачимо його з ребра.

Мал. 1: Два парсеки навколо центру галактики. З Murchikova et al Nature 570, 83-86 (2019)

Поведінка та геометрія орбіти зірки S02 відіграє ключову роль у доказі того, що Sgr A* – чорна діра. Темна маса, під дією гравітації якої обертається на своїй 16-річній орбіті зірка S02, настільки велика і знаходиться в такому маленькому обсязі простору, що джерелом цієї гравітації не може бути нічого крім чорної

дірки. Чотири мільйони сонячних мас укладені всередині радіусу перигелію S02, який складає всього 120 астрономічних одиниць.

Міжнародна колаборація Event Horizon Telescope (EHT або Телескоп Горизонту Подій) займається дослідженням поведінки газу, що падає в чорну дірку, на масштабах лише кількох радіусів шварцшильдів. Метою проекту є перевірка застосування Загальної Теорії Відносності на таких близьких масштабах, вивчення поведінки акреційного потоку поблизу горизонту подій та отримання зображення тіні чорної діри.Однак перш ніж ми зможемо дійсно протестувати висновки Загальної Теорії Відносності та розібратися з характеристиками потоків поблизу Sgr A*, нам потрібно знати характеристики потоків газу, що витікають у найближчі до чорної діри кілька шварцшильдівських радіусів з далеких відстаней, щоб зрозуміти, який саме газ і с. якими властивостями живить чорну дірку. Саме про поведінку акреційних потоків газу на відстані приблизно 20 тис. шварцшильдівських радіусів ми говоритимемо тут. Слід зазначити, що ніхто з учасників проекту, що описується тут, не є учасником колаборації Event Horizon Telescope.

Мал. 2. Центр Галактики: 32 х 16 аркхвилин. Кольори та посилання: Рентген (фіолетовий): NASA/CXC/UMass/D. Wang та ін.; Оптичний (усі кольори крім червоного та фіолетового): NASA/ESA/STScI/D.Wang et al.; Інфрачервоний (червоний): NASA/JPL-Caltech/SSC/S.Stolovy. Назва: Galactic Center: NASA's Great Observatories Examine the Galactic Center Region

Щоб уявити акреційний диск, уяву зазвичай малює тонкий диск, схожий на картинку з фільму «Інтерстеллар» (див. Є.М. Мурчикова, С.Б. Попов, «У чорних дірах та між зірками», Троїцький варіант (2014)), або на кільця Сатурна (так, вони справді є акреційним диском). Однак тонкий диск виникає тільки те

гда, коли в чорної діри досить багато «їди» і щільність акреційного потоку навколо неї висока. Чорні дірки, навколо яких формуються тонкі диски, називаються ситими. У щільних акреційних потоках навколо таких чорних дір хмари газу труться один про одного, завдяки чому вони гріються і висвічують свою кінетичну енергію у вигляді фотонів. Внаслідок цього газ охолоджується, формуючи тонкий та досить холодний диск.

Чорні дірки, які мають мало «їди», називаються голодуючими. Щільність акреційного потоку навколо таких дірок невисока, тому тертя між газовими хмарами недостатньо, щоб дозволити їм висвітлити кінетичну енергію на тимчасових масштабах, які можна порівняти з часом падіння їх у чорну діру. Внаслідок цього вони недостатньо охолоджуються, і диск не стає тонким, а залишається товстим та гарячим.

Мірою вимірювання ситості чорної діри служить порівняння її світності, а точніше, світності падаючого в неї газу, з еддінгтонівською світністю - максимально можливою світністю при сферичній акреції. Існування максимальної еддінгтонівської світності чорних дірок пов'язане з тим, що при падінні великої кількості речовини в дірку від внутрішніх частин акреційного потоку виходитиме велика кількість випромінювання. Це випромінювання чинитиме тиск на газ, що знаходиться зовні, і перешкоджатиме його падінню всередину. Так, світність центру нашої галактики приблизно в 10 8 разів менша за еддінгтонівську світність. З цього ми зробили висновок, що в момент часу, до якого відносяться наші спостереження, у центрі нашої галактики знаходиться голодна чорна діра, причому є вказівки на те, що в минулому Sgr A* був значно активнішим.

Про «дієту» галактичної чорної діри, кількість і властивості поглинається їй газу і структуру акреційного потоку навколо неї нам відомо в першу чергу зі спостережень телескопа Чандра в рентгенівському діапазоні. Роздільна здатність Чандри складає близько 1 arcsec. Це відповідає приблизно 100 тис. шварцшильдівських радіусів від центру галактики, що, як зазначалося, приблизно збігається з радіусом Бонді. Щоб випромінювати рентгенівські фотони, газ має бути гарячим, з температурою приблизно 107К.Цей гарячий газ, як передбачається, формує гарячий акреційний диск довкола чорної дірки. Однак, оскільки дозвіл рентгенівських телескопів невисокий, ми не можемо побачити в рентгенівському діапазоні ні структури, схожої на диск, ні очевидних ознак обертання газу. Тобто, хоча наявність диска вважається логічно встановленим, щоб його побачити, потрібно відмовитися від спостережень у рентгені, як основного джерела інформації, і придумати щось нове.

Крім гарячого газу, який бачить телескоп Чандра, на відстані двох парсеків від чорної дірки знаходиться багато відносно холодного газу. Ми використовуємо термін холодний тільки в відносному сенсі – це газ, який холодніший за 10 7 К. Так, ми називатимемо газ з температурою 10 4 К холодним, хоча температура цього газу вдвічі вища, ніж температура Сонця. Всі основні структури, що знаходяться на відстані двох парсеків від центру галактики, які зображені на Рис. 1, містять холодний газ. Цей газ може і повинен робити внесок в акреційний потік на чорну дірку. Щоб знайти цей холодний газ, доведеться звернутися до вимірювань у міліметровому діапазоні довжин хвиль. Справа в тому, що пил у просторі між Землею та центром галактики поглинає більшу частину електромагнітного випромінювання з довжиною хвилі менше розмірів частинок пилу, а розмір часток пилу приблизно 1 мм. А щоб отримати картинки високої роздільної здатності, потрібно проводити вимірювання на телескопі-інтерферометрі.

Мал. 3. Автор статті відвідує телескоп АЛьМА в пустелі Атакама як турист

Найкращий телескоп-інтерферометр у світі, що працює в діапазоні довжин хвиль близько 1 мм, - це телескоп Atacama Large Millimeter/Sub-millimeter Array (вимовляється АЛьМА), що розкинувся на 16 км на плато в пустелі Атакама в Чилі на висоті 5 км над рівнем моря. Подати заявку, щоб отримати спостережний час на телескопі, може кожен охочий, і, якщо заявку прийнято, телескоп зробить спостереження та доставить дані керівнику проекту. Оскільки АЛьМА не вимагає керівника проекту особисто приїхати на гору та провести спостереження самостійно, то можливість працювати на АЛьМЕ мають навіть фізики-теоретики, на кшталт автора статті (що захистила дисертацію на кафедрі теоретичної фізики фізфаку МДУ під керівництвом м. н.с. А.Є. Лобанова, а потім перекваліфіковувалася в астрофізики). Після подання заявки очікування на результати її розгляду займає близько півроку. Якщо проект прийнятий, то ще приблизно рік потрібен для прові

дення спостережень та доставки даних. Обробка даних у нашому випадку зайняла приблизно півтора року з моменту їх отримання.

Результат вийшов цікавий (див. Murchikova, Phinney, Pancoast, Blandford, Nature 570, 83-86 (2019)): дані спостережень лінії водню Н30-альфа, що відповідає переходу електрона з рівня 31 на 30, показали присутність холодного газу на відстані близько 15 000 шварцшильдівських радіусів навколо Sgr A* (див. рис. 4).

Мал. 4. Спостереження «холодного» 10000К газового диска навколо чорної дірки у центрі нашої галактики. Верхня панель: колорит. Нижня панель: зображення частини диска зміщеного в синю та червону сторону. Murchikova et al Nature 570, 83-86 (2019)

Ширина лінії, що спостерігається, залежить від швидкостей руху газу, оскільки, коли газ рухається на нас, довжина хвилі випромінювання коротшає (зміщується в синю сторону), а коли від нас — то подовжується (зміщується в червоний бік). Ширина лінії Н30-альфа, що спостерігається, узгоджується з передбачуваною шириною у разі швидкостей обертання близьких до кеплерівських. Оцінка іонізаційного балансу показала, що у видимій в Н30-альфа області навколо центру галактики дійсно достатньо фотонів з енергіями вище 13,6 еВ, необхідних для іонізації газу та підтримки його іонізованим. При цьому джерелами цих фотонів є як внутрішня частина акреційного потоку навколо чорної діри (де газ обов'язково є гарячим), так і центр галактики зірки, що оточують, особливо зірки Вольфа-Райє. Що ще цікавіше, так це те, що спектр з двома горбами і рознесений

ними у просторі червоною та синьою компонентами, вказує на наявність диска. Площина цього диска та напрямок обертання близький до площини та напрямку обертання диска нашої галактики. Диск обертається в подібних напрямках з такими несучими холодним газом структурами, як міні-спіраль і молекулярне кільце, завдяки чому може підживлюватися обома.

Ще один цікавий момент. Варто зазначити, що хмарки холодного газу, які формують холодний диск, зважаючи на все вбудовані в гарячий потік і, як наслідок, вказують напрямок його обертання. Завдяки цьому ми вперше маємо нагоду спостерігати обертання акреційного потоку навколо центру галактики. Таким чином, ми бачимо те, що давно підозрювали, але раніше не бачили.

Завдання зрозуміти в деталях структуру акреційного потоку навколо галактичного центру Чумацького Шляху Sgr A* з боку може здатися дуже приватним. Однак важливо усвідомити, що це не просто якась середньо-статистична чорна діра, — це найближча до нас чорна діра, та сама, для якої ми можемо в деталях дозволити рух зірок, що її оточують, і простежити їх повні орбіти. Вона єдина, для якої ми можемо, хоча б поки теоретично, побачити рух хмаринок у найдрібніших деталях, недоступних ніде більше. Поки ми повністю не розберемося, як працює та єдина дірка, акреційний потік якої ми насправді можемо побачити, ми не можемо стверджувати, що знаємо, як працюють інші. Телескопи KECK, GRAVITY, EHT, ALMA і т.д., так само як і люди, які займаються їх обслуговуванням та спостереженнями, невпинно працюють, щоб у найближчому майбутньому принести нам нові відкриття в цій галузі і розгадати нарешті загадку поведінки Sgr A * .

Олена Мурчикова, Institute for Advanced Study, Princeton NJ, USA, випуск фізичного факультету 2007 р.

Там дірка

Півстоліття тому астрономи вперше висловили гіпотезу, що в центрі нашої Галактики знаходиться надмасивна чорна діра. На підтвердження цієї версії говорить безліч даних, навіть маса цього компактного і не випромінюючого об'єкта підрахована, але тільки вчора, 12 травня 2022 року, ми змогли побачити темряву в самому серці Чумацького Шляху. Про те, як вчені отримали цей знімок і що на ньому можна розглянути, розповідає Михайло Лісаков, співробітник Інституту радіоастрономії Товариства Макса Планка та Астрокосмічного центру ФІАН.

Телескоп горизонту подій (Event Horizon Telescope, EHT) — це понад 300 вчених та десяток радіообсерваторій, об'єднаних в одну глобальну мережу, яка працює як один величезний радіотелескоп. Його завдання, як видно з назви, — якомога детальніше досліджувати надмасивні чорні дірки, з таким кутовим дозволом, при якому можна побачити їхній обрій подій.

Свій перший результат EHT представив у 2019 році — тоді колаборація отримала знімок тіні чорної дірки у центрі галактики M87 (ми розповідали про це у матеріалі «Заглянути за обрій»). Однак дані, необхідні для зведення цього зображення, астрономи отримали ще навесні 2017 року. Два роки пішло на калібрування даних, розробку моделей та нових методів побудови зображень.

Дані для отримання зображення тіні Стрільця А*, надмасивної чорної дірки у центрі Чумацького Шляху, колаборація зібрала тоді ж, у квітні 2017-го. Чому на те, щоб показати його, вченим знадобилося ще три роки?

Чим відрізняються надмасивні чорні діри в M87 та Чумацькому Шляху?

Надмасивна чорна діра, яку EHT продемонстрував у 2019 році, — гігант, одна з найпотужніших відомих нам чорних дірок. Її маса в 6,5 мільярда більша за масу Сонця. Її будинок - гігантська еліптична галактика Діва А (Месьє 87) у центрі надскоплення Діви, це за 55 мільйонів світлових років від Землі. Чорна діра в М87 оточена акреційним диском і випускає релятивістські джети - струмені заряджених частинок, що рухаються зі швидкістю, близькою до швидкості світла. Джети M87 добре видно у всьому діапазоні електромагнітного спектру.

Наша чорна діра Стрілець А* (Sagittarius A*) — набагато звичайнісінька, у Всесвіті таких більшість.Вона набагато ближча, на відстані 27 тисяч світлових років від нас, а її маса на три порядки менша, ніж у чорної діри в М87 — близько 4 мільйонів мас Сонця. Темп акреції речовини на SgrA* також значно менше, і ніщо не свідчить про те, що вона випускає джети.

Але вона до нас найближча. І ми ще у 1990-х роках змогли точно визначити її масу: астрономи вивчили орбіти зірок, що рухаються навколо SgrA*, і за параметрами цих орбіт підрахували масу. При цьому результати двох груп, отримані незалежно на різних телескопах, зійшлися з хорошою точністю. 2020 року за цю роботу було присуджено Нобелівську премію з фізики (докладніше читайте в нашому матеріалі «І все-таки вони існують»).

Чорна діра в центрі M87 приблизно в тисячу разів важча, ніж SgrA*, але й у тисячу разів далі. Оскільки розмір горизонту подій чорної діри прямо пропорційний її масі, а кутовий розмір на небі обернено пропорційний відстані, зображення тіней обох чорних дір повинні бути приблизно одного розміру. Але отримати картинку зі SgrA* виявилося набагато складніше.

• По-перше, ми знаходимося в площині диска Чумацького Шляху, і нам доводиться дивитися в його центр через щільні хмари газу та пилу, які знаходяться на шляху випромінювання.

Проходячи через ці хмари, випромінювання послаблюється і зображення стає більш розмитим, виникають субструктури плями розсіювання, виявлені російським телескопом "Радіоастрон" (читайте про це у матеріалі "Радіоастрону" п'ять років). І поглинання, і спотворення випромінювання доводиться враховувати під час побудови фінального зображення. Ці ефекти були теоретично передбачені раніше, але для більшості інших активних ядер галактик вони малі, і практично їх майже ніколи не враховують.Тому в колаборації EHT довелося розробляти методи обліку таких спотворень, щоб отримати чіткі зображення.

• По-друге, оскільки SgrA* менше, ніж M87*, усі процеси відбуваються швидше.

«Для М87 розмір горизонту подій — приблизно півтора світлові дні, і тому на цьому масштабі картинка цього бублика змінюється дуже повільно. Якщо уявити, що ви знімаєте чорну дірку в М87 звичайним фотоапаратом, це означало б, що ви можете тримати затвор відкритим вісім-дев'ять годин. За цей час картинка майже не зміниться, і ви зможете спокійно всі дані, зібрані за цей період використовувати для синтезу єдиного зображення, — пояснює N+1 Юрій Ковальов із АКЦ ФІАН. — Для чорної дірки в центрі нашої Галактики це зовсім не так, там картина змінюється набагато швидше, і це основна причина, через яку нашим колегам знадобилося так багато часу».

Розмір тіні SgrA* — близько десяти світлових хвилин, каже він, тобто за кілька десятків хвилин рух плазми та газу змінює картинку, а телескоп не встигає за таку коротку витримку отримати зображення.

Зазвичай, сеанс спостережень одного об'єкта за допомогою EHT триває 10–12 годин, але навіть за одну годину структура кільця навколо SgrA* може повністю змінитися. Тому вийшло так, що радіоастрономи отримали безліч шматочків мозаїки, але всі вони належали до різних картинок, тому що поки вони отримували ці фрагменти, зображення змінювалося.

Щоб зібрати з них єдине зображення потрібно п'ять років.

«Учасники колаборації згенерували безліч моделей, і короткі шматочки спостережних даних порівнювали з результатами, які давали різні моделі і намагалися з'ясувати, який клас моделей краще підходить до даних. Вони знайшли чотири кластери моделей, чотири типи зображень, які узгоджувалися найкраще», - каже Ковальов.

З цих чотирьох кластерів було збудовано фінальне зображення.

Якби EHT складався зі 100 телескопів, мінливість SgrA* не була б проблемою. Вчені могли б отримувати якісні зображення кожні 10 хвилин і за одну спостережну сесію зробити цілий фільм про те, як живе та змінюється чорна діра.

Але в EHT у 2017 році було лише вісім телескопів, і для побудови якісного зображення довелося використовувати обертання Землі. Завдяки йому проекція бази кожної пари телескопів змінюється з часом, тому кількість виміряних за одне спостереження різних кутових масштабів є достатньою для простої побудови зображення за умови, що це зображення не змінюється. Як ми знаємо, для SgrA* це негаразд.

У майбутніх спостереженнях, збільшивши число телескопів у складі EHT, можна буде зробити відео поведінки речовини навколо чорної діри. Це дозволить не тільки уточнити параметри самої чорної дірки, але й краще зрозуміти фізику плазми, що акрекує.

У чому сюрприз

Як і у випадку M87, зображення центру нашої Галактики виглядає як яскраве кільце з темною зоною у середині. Самі чорні дірки не випромінюють, але речовина, яка падає на них, розігрівається та яскраво світиться. При цьому гравітація чорної дірки, як лінза, фокусує випромінювання навколишнього газу, тільки не за рахунок різниці у показниках заломлення, а за рахунок гравітаційного викривлення траєкторій фотонів.

«Бублики», які ми бачимо в серці М87 та Чумацького Шляху, створює радіовипромінювання, яке випромінюють розігнані до релятивістських швидкостей заряджені частинки.

«Щоб отримати випромінювання у радіодіапазоні, треба прискорити заряджені частинки до швидкості, близької до швидкості світла, – пояснює Ковальов. — Ми бачимо фотони від частинок, розігнаних у магнітному полі. Крім того, ми бачимо фотони, які чорна дірка не захопила, але на напрямок руху яких вона вплинула — більшою чи меншою мірою. Там є фотони, які зробили оберт, два оберти навколо чорної діри».

Фотони, які обернулися один або два рази навколо чорної діри, виглядають для нас як тонке фотонне кільце, що світиться. Його пророкував Давид Гільберт ще 1916 року, відразу після опублікування Загальної теорії відносності Ейнштейна.

«Те, що ми бачимо - це фотонне кільце плюс інше випромінювання речовини, лінзоване чорною дірою. І все це розмите неідеальним кутовим дозволом телескопа», — каже Ковальов.

А ось темна пляма в центрі — як те, що ми не бачимо. Усі фотони з цієї області так і не змогли уникнути побачення з чорною діркою та провалилися під обрій подій.

Акреційний диск, газопиловий тор та інші мешканці центру галактики.

У речовини, яка намагається впасти в чорну дірку, зазвичай є кутовий момент, інакше кажучи, вектор його швидкості має якусь компоненту, яка відхиляється від напрямку на центр чорної дірки. Тому речовина не може відразу впасти під обрій подій, а має якимось чином цей кутовий момент спочатку зменшити. Це можна ефективно зробити за рахунок тертя та випромінювання у більш-менш тонкому диску. Це і називається акреційним диском. Зовні газ надходить у нього з газопилового тору.

Обертаючи навколо чорної діри, речовина нагрівається до мільйонів градусів, і починає яскраво випромінювати, у тому числі в рентгенівському діапазоні, втрачає кутовий момент і поступово наближається до горизонту подій чорної діри. Частина речовини з акреційного диска викидається назовні - так виникають джети, струмені речовини, що летить з навколосвітловими швидкостями від полюсів чорної дірки.

Подібність зображень із М87 та з центру нашої Галактики, взагалі, — великий сюрприз. Чомусь вісь обертання обох чорних дірок виявилася орієнтованою майже однаково — приблизно у бік нашої планети.

«Дивно, що обидві ці картинки виглядають як кільця, на які ми дивимося зверху. Чому воно не виглядає як сосиска, чому воно не виглядає як еліпс, чому воно майже кругле? Чому ми не бачимо це кільце з ребра під кутом? — міркує Ковальов. — Імовірність того, що це зображення буде таким, була не дуже високою. А так все виглядає, ніби SgrA* і матерія навколо нього знають, звідки ми на них дивимось і повернулися так, щоб виглядати для нас найкрасивіше».

Він пояснює, що у випадку М87 це було очікувано: вчені знали, куди дивиться джет її чорної дірки. Її так і підбирали, за джетом, ми знали, що її вісь обертання дивиться на нас під кутом 16–18 градусів. Там усе було підібрано заздалегідь. А тут нам пощастило», — веде далі вчений.

Що ми дізналися?

У 2002 році група Райнарда Генцеля та група Андреа Гез за результатами 10 років спостереження руху зірок на околицях центру нашої Галактики з'ясували, що там знаходиться об'єкт масою близько чотирьох мільйонів мас Сонця, в області розміром близько 10 мільярдів кілометрів.Це стало майже незаперечним доказом присутності там надмасивної чорної діри: астрофізики не знають іншого способу вмістити таку масу в такий маленький об'єм та ще й так, щоб цей об'єкт нічого не випромінював.

Завдяки EHT астрономи спромоглися уточнити розміри цієї області. Тепер ми розуміємо, що тінь чорної діри має приблизно 60 мільйонів кілометрів у поперечнику, — це можна порівняти з розмірами орбіти Меркурія. Якщо замінити Сонце на чорну дірку SgrA*, то Земля рухалася б орбітою в 2000 разів швидше, а рік тривав би 4,5 години.

Крім того, обидва виміри дали узгоджені значення маси, які у свою чергу узгоджуються з прогнозами теорії відносності. Це дозволяє спростувати багато (але не всіх) альтернативних гіпотез про природу компактного об'єкта в центрі Галактики, наприклад, голу сингулярність, деякі моделі бозонних зірок. Всі ці гіпотези не вписуються в картину, що спостерігається.

Але не можна сказати, що спостереження EHT дозволили суттєво уточнити наші уявлення про надмасивну чорну дірку в центрі Чумацького шляху. Поки що йдеться лише про підтвердження наших гіпотез.

«Ми лише на початку шляху. З моменту відкриття реліктового випромінювання до того часу, коли виміри реліктового фону дозволили суттєво уточнити наші космологічні уявлення, минуло майже 40 років», — нагадує Ковальов.

Співробітник Астрокосмічного центру ФІАН Павло Іванов зазначає, що EHT підтвердив, що маса чорної діри близька до чотирьох мільйонів мас Сонця. "Але говорити про поліпшення точності її визначення порівняно з результатами, отриманими зі спостережень руху яскравих зірок, що знаходяться досить близько до чорної діри, не доводиться", - сказав він. N+1.

«Спостереження на Телескопі горизонту подій цих двох чорних дірок близькі до межі роздільної здатності системи. А через недосконалість сучасних теоретичних моделей, з якими порівнюються спостереження, поки що ми можемо говорити лише про якісну відповідність спостережень нашим уявленням», — вважає Іванов.

Що далі?

У квітні 2017 року, коли EHT отримав дані, за якими були зібрані зображення тіней чорних дірок у Чумацькому Шляху та М87, вчені з його допомогою спостерігали ще й багато інших об'єктів: галактику Центавр А, блазари 3C 279, OJ 287. Деякі інші активні галактики спостерігалися також у 2021 та 2022 роках. Тому очікується, що результати цих спостережень також скоро будуть представлені.

Крім того, сам Телескоп обрії подій поступово зростає. З 2017 року до складу EHT увійшли три нові телескопи — у Гренландії, Аризоні та Франції, — а чутливість усіх телескопів стала кращою на 40 відсотків. Вчені вже провели перші спостереження на частоті 345 гігагерц.

Порівняно з 2017 роком Телескоп тепер може спостерігати об'єкти вдвічі менші та в 2,5 рази тьмяніші. Крім того, випромінювання на новій частоті 345 гігагерц менш схильне до розсіювання, ніж на минулих 230 гігагерц, тому наступні зображення будуть чіткішими.

Наприклад, очікується, що спостереження 2021-2022 років дозволять вченим детально розглянути область, звідки виходить релятивістський джет чорної дірки у центрі галактики M87.

У планах колаборації, очевидно, побудувати зображення SgrA* у лінійно поляризованому світлі, а також детектувати кругову поляризацію чорної діри в M87. Це можна зробити за наявними даними, так що вчені з EHT займуться цим найближчим часом.Чорні діри не можуть мати власного магнітного поля, натомість ми зможемо побачити його формування в акреційному диску і те, як воно бере участь у запуску та прискоренні релятивістського викиду. Спостереження поляризованого випромінювання - це той ключик, який відкриє двері до вимірювання магнітних полів у найближчих околицях чорних дірок. Вимірявши їх, ми зможемо остаточно спростувати всі моделі, альтернативні чорним діркам, і, нарешті, зрозуміти, як вони запускають релятивістські джети.

Чорні дірки

Вперше про чорні діри заговорив Альберт Ейнштейн у 1916 році, коли створив загальну теорію відносності. Сам термін виник у 1967 році завдяки Джону Уїлеру. А першу чорну дірку «помітили» 1971 року.

Класифікація чорних дірок включає три типи: чорні діри зоряної маси, надмасивні та чорні діри середньої маси. Обов'язково подивіться відео про чорні дірки, щоб дізнатися багато цікавих фактів та познайомитись із цими загадковими космічними формуваннями ближче.

Цікаві факти

• Якщо ви опинилися всередині чорної дірки, то гравітація вас розтягуватиме. Але боятися не потрібно, адже ви помрете ще до того, як досягнете сингулярності. Дослідження 2012 року припустили, що квантові ефекти перетворюють обрій подій на вогненну стіну, що зробила з вас купку попелу.
• Чорні дірки не «всмоктують». Цей процес викликається вакуумом, якого немає у цій освіті. Тож матеріал просто падає.
• Першою чорною діркою став Лебідь Х-1, знайдений ракетами із лічильниками Гейгера. 1971 року вчені отримали сигнал радіовипромінювання від Лебедя Х-1. Цей об'єкт став предметом суперечки між Кіпом Торном та Стівеном Хокінгом. Останній вважав, що це не чорна дірка. 1990 року він визнав свою поразку.
• Крихітні чорні діри могли з'явитися відразу після Великого Вибуху. Простір, що стрімко обертається, стискав деякі області в щільні дірки, з меншою масивністю, ніж у Сонця.
• Якщо зірка підійде надто близько, її може розірвати.
• За загальним підрахунком, існує приблизно до мільярда зіркових чорних дірок із масою втричі більше за сонячну.
• Якщо порівнювати теорію струн та класичну механіку, то перша породжує більше різновидів потужних гігантів.

Небезпека

Коли зірка закінчує паливо, вона може запустити процес саморуйнування. Якщо її маса була втричі більша за сонячну, то ядро, що залишилося, стане нейтронною зіркою або білим карликом. Але більша зірка трансформується у чорну дірку.

Такі об'єкти маленькі, але мають неймовірну щільність. Уявіть, що перед вами об'єкт, розміром у місто, але його маса втричі більша за сонячну. Це створює неймовірно величезну гравітаційну силу, яка притягує пил та газ, збільшуючи його розміри. Ви здивуєтеся, але в Чумацькому Шляху може бути кілька сотень мільйонів зіркових чорних дір.

Надмасивні чорні дірки

Звичайно, ніщо у Всесвіті не зрівняється зі страхітливими надмасивними чорними дірками. Вони перевершують сонячну масу у мільярди разів. Вважають, що такі об'єкти є практично у кожній галактиці. Вчені поки що не знають усіх тонкощів процесу формування. Швидше за все, вони виростають за рахунок накопичення маси з навколишнього пилу та газу.

Можливо, вони завдячують своїм масштабам злиття тисячі невеликих чорних дірок. Або ж могло зруйнуватися ціле зоряне скупчення.

Проміжні чорні дірки

Нещодавно вчені знайшли новий вид - чорні дірки середньої маси (проміжні).Вони можуть формуватися, коли зірки скупчуються, піддавшись ланцюгової реакції. У результаті падають у центр і формують надмасивну чорну дірку.

У 2014 році астрономи виявили проміжний тип у рукаві спіральної галактики. Їх дуже складно знайти, тому що можуть розташовуватись у непередбачуваних місцях.

Теорія чорних дірок

Чорні дірки – надзвичайно масивні об'єкти, але охоплюють порівняно скромний обсяг простору. Крім того, мають величезну гравітацію, не дозволяючи об'єктам (і навіть світлу) залишити їхню територію. Однак, безпосередньо побачити їх неможливо. Дослідникам доводиться звертатися до випромінювання, що з'являється, коли чорна діра живиться.

Цікаво, але буває так, що речовина, що прямує до чорної діри, відскакує від обрії подій і викидається назовні. При цьому формуються яскраві струмені матеріалу, що пересуваються на релятивістських швидкостях. Ці викиди можна зафіксувати великих дистанціях.

Чорні дірки – дивовижні об'єкти, в яких сила тяжіння настільки величезна, що може згинати світло, деформувати простір та спотворювати час.

У чорних дірах можна виділити три шари: зовнішній та внутрішній горизонт подій та сингулярність.

Горизонт подій чорної дірки – кордон, де у світла зникають усі шанси на втечу. Як тільки частка переходить цей рубіж, вона не зможе піти. Внутрішня область, де є маса чорної дірки, називається сингулярністю.

Якщо ми говоримо з позиції класичної механіки, то нічого не може залишити чорну дірку. Але квантова робить свою поправку. Справа в тому, що кожна частка має античастинку. Вони мають однакові маси, але різний заряд. Якщо перетнулися, то можуть анігілювати один одного.

Коли така пара виникає за межами обрії подій, то одна з них може втягнутися, а друга відштовхнеться. Через це обрій здатний зменшитися, а чорна діра зруйнуватися. Вчені досі намагаються вивчити цей механізм.

Часті питання про чорні діри

Якщо більш ємно, то чорна діра - певна ділянка в космосі, в якій сконцентровано таку величезну кількість маси, що жодному об'єкту не вдається уникнути гравітаційного впливу. Коли йдеться про гравітацію, ми покладаємося на загальну теорію відносності, яку пропонує Альберт Ейнштейн. Щоб розібратися в деталях об'єкта, що вивчається, будемо рухатися поетапно.

Давайте уявимо, що ви знаходитесь на поверхні планети і підкидаєте камінь. Якщо ви не маєте сили Халка, то не зможете докласти достатньо сили. Тоді камінь підніметься на певну висоту, але під тиском гравітації звалиться назад. Якщо ж у вас є прихований потенціал зеленого силача, то ви здатні надати об'єкту достатнього прискорення, завдяки якому він повністю залишить зону гравітаційного впливу. Це називається "швидкість тікання".

Якщо розбити на формулу, ця швидкість залежить від планетарної маси. Чим вона більша, тим потужніше гравітаційне захоплення. Швидкість вильоту покладатиметься на те, де саме ви знаходитесь: чим ближче до центру, тим простіше вибратися. Швидкість вильоту нашої планети – 11.2 км/с, тоді як Місяця – 2.4 км/с.

Наближаємося до найцікавішого. Припустимо, у вас є об'єкт з неймовірною концентрацією маси, зібраної в крихітному місці. У такому разі швидкість втікання перевищує швидкість світла. А ми знаємо, що ніщо не рухається швидше за цей показник, а значить, ніхто не зможе подолати таку силу і втекти.Навіть світловому променю це не під силу!

Ще у 18 столітті Лаплас розмірковував над надзвичайною концентрацією маси. Після загальної теорії відносності Карл Шварцшільд зміг знайти математичне рішення для рівняння теорії, щоб описати подібний об'єкт. Далі свій внесок внесли Оппенгеймер, Волькофф і Снайдер (1930-ті рр.). З того моменту люди почали обговорювати цю тему всерйоз. Стало ясно: коли в масивної зірки закінчується паливо, вона не здатна протистояти силі гравітації і повинна звалитися в чорну дірку.

Теоретично Ейнштейна гравітація виступає проявом кривизни у просторі та часу. Справа в тому, що звичайні геометричні правила тут не працюють і масивні об'єкти спотворюють простір-час. Чорна діра має химерні властивості, тому її спотворення видно найвиразніше. Наприклад, об'єкт має «горизонт подій». Це поверхня сфери, що відзначає межу дірки. Тобто якщо ви переступите цю межу, то назад шляху немає.

Якщо буквально, то це місце, де швидкість втікання прирівнюється до світлової. Поза цим місцем швидкість втікання поступається швидкості світла. Але якщо ваша ракета здатна розігнатися, енергії вистачить на втечу.

Сам обрій досить дивний з погляду геометрії. Якщо ви розташовані далеко, то здасться, що дивіться на статичну поверхню. Але якщо підійти ближче, то приходить усвідомлення, що вона рухається назовні зі світловою швидкістю! Тепер зрозуміло чому легко увійти, але так складно втекти. Так, це дуже заплутано, адже фактично обрій стоїть на місці, але водночас і мчить зі швидкістю світла. Це як у ситуації з Алісою, якій треба було бігти якнайшвидше, щоб просто залишитися на місці.

При попаданні в обрій, простір і час переживають таке сильне спотворення, що координати починають описувати ролі радіальної відстані та часу перемикання. Тобто «r», яка відзначає дистанцію від центру, стає тимчасовою, а за «просторовість» тепер відповідає «t». У результаті ви не зможете перестати пересуватися з меншим показником r, як і не здатні у звичайному часі потрапити в майбутнє. Ви прийдете до сингулярності, де r=0. Можна викидати ракети, запускати двигун на максимум, але вам не втекти.

Термін «чорна діра» вигадав Джон Арчібальд Вілер. До цього їх називали «остиглими зірками».

Існує два способи обчислити, наскільки щось велике. Можна назвати масу чи яку величину займає ділянку. Якщо брати перший критерій, немає конкретної межі масивності чорної діри. Можна використовувати будь-яку кількість, якщо ви здатні її стиснути до необхідної щільності.

Більшість цих утворень з'явилася після смерті масивних зірок, тому можна очікувати, що їхня вага має бути рівнозначною. Типова маса для такої дірки повинна бути в 10 разів більшою за сонячну – 10 31 кг. Крім того, у кожній галактиці повинна проживати центральна надмасивна чорна діра, маса якої перевищує сонячну в мільйон разів – 10 36 кг.

Чим масивніший об'єкт, тим більше маси охоплює. Радіус горизонту і маса прямо пропорційні, тобто, якщо чорна діра важить у 10 разів більше за іншу, то і її радіус у 10 разів більший. Радіус дірки із сонячною масивністю дорівнює 3 км, а якщо в мільйон разів більше, то 3 мільйони км. Здається, що це надзвичайно потужні речі. Але не забуватимемо, що для астрономії це стандартні поняття. Сонячний радіус досягає 700000 км, а у чорної діри у 4 рази більше.

Що станеться, якщо ви впадете у чорну дірку?

Припустимо, що вам не пощастило і ваш корабель невблаганно рухається до надмасивної чорної діри. Нема рації боротися. Ви просто вимкнули двигуни і йдете назустріч неминучому. Чого чекати?

Почнемо з невагомості. Ви перебуваєте у вільному падінні, тому екіпаж, корабель і всі деталі невагомі. Чим ближче до центру отвору, тим сильніше відчуваються приливні гравітаційні сили. Наприклад, ваші ноги ближчі до центру, ніж голова. Тоді вам починає здаватися, що вас розтягують. У результаті вас просто розірве на частини.

Ці сили непомітні, поки ви не підійде на віддаленість в 600000 км від центру. Це вже після межі горизонту. Але ми говоримо про величезний об'єкт. Якщо ви падаєте в дірку із сонячною масою, то приливні сили охопили б вас за 6000 км від центру і розірвали до того, як ви підійшли до горизонту (тому ми відправляємо вас у велику, щоб змогли померти вже всередині дірки, а не на підході) .

Що всередині? Не хочеться розчаровувати, але нічого примітного. Деякі об'єкти можуть спотворюватися на вигляд і більше нічого незвичайного. Навіть після переходу горизонту ви бачитимете речі навколо себе, оскільки вони рухаються з вами.

Скільки на все це знадобиться часу? Все залежить від вашої віддаленості. Наприклад, ви почали з точки спокою, де сингулярність у 10 разів більша за радіус діри. Для підходу до горизонту потрібно лише 8 хвилин, а потім ще 7 секунд, щоб увійти в сингулярність. Якщо падаєте в маленьку чорну дірку, все відбудеться швидше.

Як тільки переступите обрій, можете стріляти ракетами, кричати і плакати. На все це у вас 7 секунд, доки не потрапите в сингулярність. Але вже нічого не врятує. Тому просто насолоджуйтеся поїздкою.

Що побачить мій друг із безпечної відстані?

Припустимо, ви приречені та падаєте в дірку, а ваш друг/подруга спостерігає за цим здалеку. Ну, він побачить усе по-іншому. Зауважить, що ближче до горизонту ви уповільните свій хід. Але навіть якщо людина просидить сотню років, вона так і не дочекається, коли ви досягнете горизонту.

Спробуємо пояснити. Чорна діра могла з'явитися з зірки, що колапсує. Оскільки матеріал руйнується, то Кирило (нехай буде вашим другом) бачить його зменшення, але ніколи не помітить підходу до горизонту. Саме тому їх називали «замороженими зірками», адже здається, ніби вони замерзають із певним радіусом.

У чому справа? Назвемо це оптичною ілюзією. Для формування дірки не потрібна нескінченність, як і переходу через горизонт. У міру вашого підходу світла потрібно більше часу, щоб дістатися Кирила. Якщо точніше, то випромінювання в реальному часі від переходу зафіксується біля горизонту надовго. Ви вже давно переступили за лінію, а Кирило все ще спостерігає світловий сигнал.

Або ж можна підійти з іншого боку. Час триває довше біля обрію. Наприклад, ви маєте суперпотужний корабель. Вам вдалося наблизитися до обрію, побути там пару хвилин і вибратися живим до Кирила. Кого ж ви побачите? Старого! Адже для вас час протікав набагато повільніше.

Що тоді правильно? Ілюзія чи гра часу? Все залежить від системи координат при описі чорної діри. Якщо покладатися на координати Шварцшильда, при перетині горизонту тимчасова координата (t) дорівнює нескінченності. Але показники цієї системи надають розмите уявлення про те, що відбувається біля самого об'єкта. У лінії горизонту всі координати спотворюються (сингулярність).Але ви можете використовувати обидві системи координат, тому дві відповіді мають силу.

Насправді ви просто станете невидимкою, і Кирило перестане вас бачити ще до того, як мине багато часу. Не варто забувати про червоне усунення. Ви випромінюєте спостерігається світло на певній хвилі, але Кирило побачить його на довшій. Хвилі подовжуються в міру наближення до горизонту. Крім того, не варто забувати, що випромінювання відбувається у певних фотонах.

Наприклад, у момент переходу ви відправите останній фотон. Він досягне Кирила у певний кінцевий час (приблизно годину для надмасивної чорної дірки).

А чи не може чорна діра поглинути всю речовину у Всесвіті?

Звісно, ​​ні. Не забувайте про існування обрії подій. Тільки з цієї області ви не можете вибратися. Достатньо просто не наближатися до неї та почувайтеся спокійно. Більш того, з безпечної відстані вам цей об'єкт здаватиметься звичайнісіньким.

Що буде, якщо наша зірка стане чорною діркою?

Не панікуйте, тому що Сонцю ніколи не трансформуватись у подібний об'єкт, тому що йому просто не вистачить маси. Тим більше, що воно зберігатиме свій теперішній зовнішній вигляд ще 5 мільярдів років. Потім перейде до етапу червоного гіганта, проковтнувши Меркурій, Венеру і добре підсмаживши нашу планету, а потім стане звичайним білим карликом.

Але давайте віддамося фантазії. Отже, Сонце стало чорною діркою. Почнемо з того, що відразу нас укутає темрява та холод. Земля та інші планети не всмоктуватимуться у дірку. Вони продовжать обертатися навколо нового об'єкта за звичайними орбітами. Чому? Тому що горизонт сягатиме всього 3 км, і гравітація нічого не зможе з нами зробити.

Чи є докази існування чорних дірок?

Так.Звісно, ​​ми можемо покладатися на видиме спостереження, оскільки світла не вдається вирватися. Але є непрямі докази. Наприклад, ви бачите ділянку, в якій може бути чорна дірка. Як це перевірити? Почніть із виміру маси. Якщо видно, що в одній області її занадто багато або вона ніби непомітна, то ви на вірному шляху. Є дві точки пошуку: галактичний центр та подвійні системи з рентгенівським випромінюванням.

Таким чином, у 8 галактиках знайшли масивні центральні об'єкти, маса яких ядер коливається від мільйона до мільярда сонячних. Масу обчислюють через спостереження за швидкістю обертання зірок та газу навколо центру. Чим швидше, тим більше має бути маса, щоб утримати їх на орбіті.

Ці масивні об'єкти вважають чорними дірками із двох причин. Ну, просто немає варіантів. Немає нічого масивнішого, темнішого і компактнішого. До того ж є теорія, що у всіх активних та великих галактиках у центрі ховається такий монстр. Але все ж таки це не 100% докази.

Але на користь теорії говорять дві останні знахідки. Біля найближчої активної галактики помітили систему "водяного мазера" (потужне джерело мікрохвильового випромінювання) біля ядра. За допомогою інтерферометра вчені відобразили розподіл газових швидкостей. Тобто вони виміряли швидкість у межах половини світлового року в галактичному центрі. Це допомогло їм зрозуміти, що всередині розташований масивний об'єкт, радіус якого досягає половини світлового року.

Друга знахідка переконує ще більше. Дослідники за допомогою рентгена натрапили на спектральну лінію галактичного ядра, що вказує на присутність поряд атомів, швидкість руху яких неймовірно висока (1/3 світловий).Крім того, випромінювання відповідало червоному зміщенню, що відповідає горизонту чорної дірки.

Ще один клас можна знайти в Чумацькому Шляху. Це зіркові чорні дірки, що формуються після вибуху наднової. Якби вони існували окремо, то навіть поблизу ми навряд чи її помітили б. Але нам щастить, адже більшість існує у подвійних системах. Їх легко знайти, тому що чорна дірка тягтиме масу свого сусіда і впливатиме на нього гравітацією. Вирваний матеріал формує акреційний диск, в якому все нагрівається, а значить, створює сильне випромінювання.

Припустимо, вам удалося знайти подвійну систему. Як зрозуміти, що компактний об'єкт є чорною діркою? Знову звертаємось до маси. Для цього виміряйте орбітальну швидкість сусідньої зірки. Якщо маса неймовірно величезна за таких малих розмірів, то варіантів не залишається.

Це складний механізм. Подібну тему Стівен Хокінг торкнувся ще у 1970-х роках. Він казав, що чорні дірки не зовсім «чорні». Там є квантово-механічні ефекти, що змушують її створювати випромінювання. Поступово дірка починає стискатися. Швидкість випромінювання зростає зі зменшенням маси, тому діра випромінює все більше і прискорює процес стиснення, доки не розчиниться.

Однак це лише теоретична схема, адже ніхто не може точно сказати, що відбувається на останньому етапі. Дехто думає, що залишається невеликий, але стабільний слід. Сучасні теорії не придумали поки що нічого кращого. Але сам процес неймовірний та складний. Доводиться обчислювати параметри у викривленому просторі-часі, а самі результати не піддаються перевірці у звичних умовах.

Тут можна скористатися законом збереження енергії, але тільки для коротких тривалостей.Всесвіт може створювати енергію та масу з нуля, але тільки вони мають швидко зникати. Один із проявів – вакуумні флуктуації. Пари частинок та античастинок виростають з нізвідки, існують певний недовгий термін та гинуть у взаємному знищенні. При появі енергетичний баланс порушується, але все відновлюється після зникнення. Здається фантастикою, але цей механізм експериментально підтверджений.

Допустимо, одна з вакуумних флуктуацій діє біля горизонту чорної дірки. Можливо, одна з частинок падає усередину, а друга тікає. Той, хто втік, забирає з собою частину енергії дірки і може потрапити на очі спостерігачеві. Йому здасться, що чорний об'єкт просто випустив частку. Але процес повторюється, і ми бачимо безперервний потік випромінювання із чорної дірки.

А чи не може чорна діра випаруватись до того, як я туди потраплю?

Ми вже казали, що Кирилу здається, ніби вам потрібна нескінченність, щоб переступити через лінію горизонту. Крім того, згадувалося, що чорні дірки випаровуються через кінцевий часовий проміжок. Тобто коли ви досягнете горизонту, дірка зникне?

Ні. Коли ми описували спостереження Кирила, ми не говорили про процес випаровування. Але якщо цей процес присутній, то все змінюється. Ваш друг побачить, як ви перелетите через обрій саме в момент випаровування. Чому?

Над Кирилом панує оптична ілюзія. Випромінюваному світлу в горизонті подій потрібно багато часу, щоб дістатися друга. Якщо дірка триває вічно, то світло може йти нескінченно довго, і Кирило не діждеться переходу. Але, якщо дірка випарувалася, то світло вже ніщо не зупинить, і воно дістанеться хлопця в момент вибуху випромінювання. Але вам уже байдуже, адже ви давно загинули у сингулярності.

У формулах загальної теорії відносності є цікава особливість – симетричність у часі.

Чорна діра - певна область, з якої ніщо не може вибратися. Але другий варіант, це біла діра, в яку ніщо не може впасти. Існування в природі. Швидше за все, їх немає, як і способу це з'ясувати.

До цього моменту ми говорили про класику чорних дірок. Вони не обертаються і позбавлені електричного заряду. А ось у протилежному варіанті починається найцікавіше. . Тобто, ви потрапите у своєрідний тунель, де чорна діра – вхід, а біла – вихід. комбінацію називають червоточиною.

Цікаво, що біла діра може знаходитися в будь-якому місці, навіть у іншому Всесвіті. Якщо вміти керувати такими червоточинами, то ми забезпечимо швидке транспортування в будь-яку область простору.

Але не пакуйте рюкзак, поки не дізнаєтесь кілька моментів. На жаль, велика ймовірність, що таких формувань немає. матерії і формують червоточин. І кінцева зупинка – сингулярність.

Але навіть реальна червоточина позбавлена ​​стабільності.Невелике порушення (наприклад, подорож) може призвести до колапсу. Чи не вірите? Тоді як щодо безпеки? Стабільна червоточина не забезпечить вам комфортного пересування. Випромінювання всередині неї (реліктове, зоряне тощо) перебуває у синхронності на високих частотах. Увійти в таке місце – це добровільна згода засмажитись.