Hi-Tech

10 научных фактов, которые мы извлекли из первой фотографии черной дыры

Спустя более века Карл Шварцшильд нашел точное решение для общей теории относительности Эйнштейна, которое предсказало такой же результат: черную дыру. Идея черных дыр восходит к 1783 году, когда кембриджский ученый Джон Мичелл осознал, что достаточно массивный объект в достаточно маленьком пространстве может притягивать даже свет, не давая ему вырваться. Как Мичелл, так и Шварцшильд предсказали явную связь между горизонтом событий, или радиусом области, из которой свет не может вырваться, и массой черной дыры.

И только 10 апреля 2019 года ученые раскрыли первую в истории фотографию горизонта событий. В течение 103 лет после шварцшильдовского предсказания его не могли проверить. Теория Эйнштейна снова сработала, как и всегда.

У нас было много вопросов, на которые теперь есть ответы. Хотя мы уже знали о черных дырах довольно много всего, еще до появления первого снимка горизонта событий, он многое изменил и прояснил.

Кстати, вот вам 10 фактов о черных дырах, которые должен знать каждый.

Эта черная дыра находится в галактике Messier 87: самой большой и массивной галактике в нашем локальном сверхскоплении галактик. 10 апреля 2019 года коллаборация Event Horizon Telescope представила первый успешный снимок горизонта событий черной дыры. Это значит, что для того, чтобы покрыть все небо, нужно 23 квадриллиона черных дыр таких же размеров. Угловой диаметр горизонта событий составил 42 микро-арк-секунды.

Физически это соответствует размеру, превышающему размер орбиты Плутона вокруг Солнца. На расстоянии в 55 миллионов световых лет, предполагаемая масса этой черной дыры в 6,5 миллиарда раз превышает солнечную. И только потому, что: Если бы черной дыры не было, свету понадобилось бы около суток, чтобы пройти через диаметр горизонта событий.

  • у Телескопа горизонта событий достаточно разрешающей способности, чтобы увидеть эту черную дыру
  • черная дыра сильно излучает радиоволны
  • очень мало радиоволновых излучений на фоне, чтобы помешать сигналу

Из которого теперь мы извлекли десять глубоких уроков. мы смогли соорудить этот первый снимок.

Мы узнали, как выглядит черная дыра. Что дальше?

Если вы когда-либо видели статью с названием типа «теоретик смело утверждают, что черных дыр не существует» или «эта новая теория гравитации может перевернуть Эйнштейна», вы догадываетесь, что у физиков нет проблем с придумыванием альтернативных теорий. Это правда черная дыра, как и предсказывалось ОТО. Несмотря даже на то, что ОТО прошла все испытания, которым мы ее подвергали, недостатка в расширениях, заменах или возможных альтернативах у физиков нет.

Теперь мы знаем, что это черная дыра, а не червоточина. И наблюдение черной дыры исключает огромное их количество. Мы знаем, что горизонт событий — это не твердая поверхность, поскольку падающее вещество должно выдавать инфракрасную сигнатуру. Мы знаем, что горизонт событий существует и что это не голая сингулярность. И все эти наблюдения соответствуют общей теории относительности.

Эти идеи находятся за рамками наблюдений EHT. Однако это наблюдение ничего не говорит о темной материи, наиболее модифицированных теориях гравитации, квантовой гравитации или о том, что скрывается за горизонтом событий.

До первого изображения черной дыры у нас было несколько различных способов измерения масс черных дыр. Гравитационная динамика звезд дает хорошие оценки для масс черной дыры; наблюдения газа — нет.

Мы могли либо использовать измерения звезд — вроде отдельных орбит звезд возле черной дыры в нашей собственной галактики или линии абсорбции звезд в M87 — которые давали нам гравитационную массу, либо выбросов из газа, который движется вокруг центральной черной дыры.

Для M87 измерения газа показали, что масса черной дыры составляет 3,5 миллиарда солнц, а гравитационные измерения были ближе к 6,2 — 6,6 млрд. Как для нашей галактики, так и для M87, эти две оценки были очень разными: гравитационные оценки были на 50-90% больше, чем газовые. Это прекрасная возможность пересмотреть наши астрофизические предположения об орбитальном газе. Но результаты EHT показали, что черная дыра имеет 6,5 миллиарда солнечных масс, а значит, гравитационная динамика — прекрасный индикатор масс черных дыр, но выводы по газу смещаются в сторону более низких значений.

Посредством наблюдений горизонта событий, радиоизлучения вокруг него, крупномасштабного джета и расширенных радиоизлучений, измеренных другими обсерваторий, EHT определила, что это черная дыра Керра (вращающаяся), а не Шварцшильда (не вращающаяся). Это должна быть вращающаяся черная дыра, и ее ось вращения указывает в сторону от Земли.

Вместо этого нам приходится строить модели самой черной дыры и вещества вне ее, а затем развивать их, чтобы понять, что происходит. Не ни единой простой черты черной дыры, которую мы могли бы изучить, чтобы определить эту природу. Эта черная дыра должна вращаться, а ось вращения указывает от Земли примерно на 17 градусов. Когда вы ищете возможные сигналы, которые могут проявиться, вы получаете возможность ограничивать их так, чтобы они согласовались с вашими результатами.

Мы уже знали, что у M87 был джет — по оптическим наблюдениям — и что она также испускала в радиоволновом и рентгеновском диапазонах. Мы смогли окончательно определить, что вокруг черной дыры есть вещество, соответствующее аккреционным дискам и потокам. Только разгоняя электроны в магнитном поле можно получить характерное радиоизлучение, которое мы увидели: синхротронное излучение. Такого рода излучение не получится получить только от звезд или фотонов: нужно вещество, а также электроны.

Подкручивая всевозможные параметры всех возможных моделей, вы узнаете, что эти наблюдения не только требуют аккреционных потоков для объяснения радиорезультатов, но и обязательно предсказывают не-радиоволновые результаты — вроде рентгеновских излучений. И это также потребовало невероятное количество работы по моделированию. Потоки аккреции должны нагреваться, о чем свидетельствует спектр магнитных излучений M87, в соответствии с релятивистскими ускоряющимися электронами в магнитном поле. Важнейшие наблюдения произвел не только EHT, но и другие обсерватории вроде рентгеновского телескопа «Чандра».

Это кольцо в радиодиапазоне не соответствует самому горизонту событий и не соответствует кольцу вращающихся частиц. Видимое кольцо демонстрирует силу гравитации и гравитационное линзирование вокруг центральной черной дыры; и снова ОТО прошла испытания. Нет, это кольцо возникает из сферы гравитационно линзируемых фотонов, пути которых искривляются гравитацией черной дыры по дороге к нашим глазам. И это также не самая стабильная круговая орбита черной дыры.

Как пишет в работе Event Horizon Telescope Collaboration: Этот свет изгибается в большую сферу, чем можно было бы ожидать, если бы гравитация была не такой сильной.

«Мы выяснили, что больше 50% общего потока в арксекундах проходит вблизи горизонта и что это излучение резко подавляется при попадании в эту область, в 10 раз, что является прямым доказательством предсказанной тени черной дыры».

Общая теория относительности Эйнштейна в очередной раз оказалась верной.

При массе в 6,5 миллиарда солнц, свету понадобится примерно день, чтобы преодолеть горизонт событий черной дыры. Черные дыры — динамические явления, их излучение меняется со временем. Это грубо устанавливает временные рамки, в которые мы можем ожидать увидеть изменения и флуктуации излучения, наблюдаемого EHT.

Данные за 2017 год содержат четыре ночи наблюдений. Даже наблюдения, которые длились несколько дней, позволили нам подтвердить, что структура испускаемого излучения меняется со временем, как и предсказывалось. Иными словами, свойства излучения вокруг черной дыры в M87 действительно меняются со временем. Даже взглянув на эти четыре изображения можно визуально увидеть, что первые два обладают схожими чертами и последние два также, однако между первым и последним есть значительные отличия.

Мы увидели, как в рентгеновском, так и в радиодиапазоне, что черная дыра в центре нашего собственного Млечного Пути испускает кратковременные вспышки излучения. EHT в будущем раскроет физическое происхождение вспышек черных дыр. Хотя самое первое представленное изображение черной дыры показало сверхмассивный объект в M87, черная дыра в нашей галактике — Стрелец А* — будет такой же большой, только меняться будет быстрее.

Это значит, что колебания будут наблюдаться уже не в течение дня, а в течение даже одной минуты. По сравнению с массой M87 — 6,5 миллиарда солнечных масс — масса Стрельца А* будет всего 4 миллиона солнечных масс: 0,06% от первой. Особенности черной дыры будут меняться быстро, и когда произойдет вспышка, мы сможем раскрыть ее природу.

Происходит ли магнитное пересоединение, как в выбросах корональной массы нашего Солнца? Как вспышки связаны с температурой и светимостью радиокартины, которую мы увидели? Стрелец А* вспыхивает ежедневно, поэтому мы сможем связать все нужные сигналы с этими событиями. Что-нибудь разрывается в потоках аккреции? Если наши модели и наблюдения будут такими же хорошими, какими они оказались для M87, мы сможем определить, что движет этими событиями и, возможно, даже узнаем, что падает в черную дыру, создавая их.

Хотя мы все мы определенно были рады увидеть первый снимок горизонта событий черной дыры, важно понимать, что вскоре появится совершенно уникальная картина: поляризации света, исходящего от черной дыры. Появятся поляризационные данные, которые раскроют, обладают ли черные дыры собственным магнитным полем. Из-за электромагнитной природы света его взаимодействие с магнитным полем отпечатает особенную поляризационную сигнатуру на ней, позволив нам реконструировать магнитное поле черной дыры, а также и то, как оно меняется со временем.

Модели указывают, что линии поля могут либо оставаться в аккреционных потоках, либо проходить через горизонт событий, образуя своеобразный «якорь» в черной дыры. Мы знаем, что вещество за пределами горизонта событий, являясь по сути движущимися заряженными частицами (вроде электронов), генерирует собственное магнитное поле. Без этих полей материя в потоках аккреции не могла бы терять угловой импульс и падать в горизонт событий. Есть связь между этими магнитными полями, аккрецией и ростом черной дыры, а также джетами.

Данные у нас уже есть: осталось выполнить полный анализ. Поляризационные данные, благодаря силе поляриметрической визуализации, расскажут нам об этом.

Когда планета вращается вокруг Солнца, это связано не только с тем, что Солнце оказывает гравитационное воздействие на планету. Усовершенствование Event Horizon Telescope покажет наличие других черных дыр вблизи галактических центров. Точно так же, когда объект кружит вокруг черной дыры, он также оказывает гравитационное давление на черную дыру. Всегда есть равная и противоположная реакция: планета оказывает воздействие на солнце. В присутствии целого набора масс возле центров галактик — и, в теории, множества невидимых пока черных дыр — центральная черная дыра должна буквально дрожать на своем месте, будучи растаскиваемой броуновским движением окружающих тел.

Техника для такого измерения подразумевает, что вы смотрите на калибратор, затем на источник, снова на калибратор, снова на источник и так далее. Сложность проведения этого измерения сегодня заключается в том, что вам нужна контрольная точка для калибровки вашего положения относительно местоположения черной дыры. К сожалению, атмосфера меняется очень стремительно, и за 1 секунду многое может измениться, поэтому вы просто не успеете сравнить два объекта. При этом перемещать взгляд нужно очень быстро. Во всяком случае, не с современными технологиями.

Инструменты, которые используются на EHT, ожидают обновления и, возможно, смогут достичь необходимой скорости к середине 2020-х годов. Но технологии в этой области развиваются невероятно быстро. Эта загадка может быть решена к концу следующего десятилетия, и все благодаря улучшению инструментария.

Чтобы разобрать черную дыру, нужно, чтобы разрешающая сила массива телескопа была лучше (то есть с высоким разрешением), чем размер объекта, который вы ищете. Наконец, Event Horizon Telescope в конечном счете увидит сотни черных дыр. В настоящее время EHT может разобрать только три известных черных дыры во Вселенной с достаточно большим диаметром: Стрелец А*, центр M87, центр галактики NGC 1277.

В теории, это уже технически достижимо. Но мы можем увеличить мощность ока Event Horizon Telescope до размеров Земли, если запустим телескопы на орбиту. Увеличение количества телескопов увеличивает количество и частоту наблюдений, а вместе с тем и разрешение.

Будущее фотоальбомов с черными дырами кажется ярким. Внеся необходимые улучшения, вместо 2-3 галактик мы сможем находить сотни черных дыр или даже больше.

Сегодня мы живем в эпоху астрономии черных дыр и наконец-то смогли наблюдать их воочию. Проект Телескопа горизонта событий был дорогим, но он окупился. Подпишитесь на наш канал в Телеграме, чтобы получать все новости с этого невидимого фронта. Это только начало.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть