Можно ли увидеть черную дыру

Можно ли увидеть черную дыру?

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.

Черная дыра может уничтожить что угодно.

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 как область пространства-времени

Черные дыры еще определяют как область пространства-времени. Сергей Попов объясняет, что все современные теории гравитации — теории геометрические. В них гравитация описывается как свойство пространства и времени. Имеется в виду, что между пространством и временем можно составить уравнение, это взаимосвязанные величины.

С начала ХХ века, с первых работ Эйнштейна по теории относительности, пространство и время объединены в некоторую сущность. Любые тела, не только массивные, но и самые маленькие, искривляют пространство вокруг себя и одновременно влияют на ход времени. Современные измерения позволяют определить, что в одном месте время идет не так, как в другом. Можно провести эксперимент и обнаружить эту разницу.

Черная дыра — это экстремальный способ воздействия на пространство — когда в одном месте собрали так много вещества или энергии, что пространство-время свернулись и образовали специфическую область. Можно говорить, что черная дыра — это объект, но с бытовой точки зрения объект — это что-то имеющее поверхность. Если идти по абсолютно темной комнате, можно наткнуться на стол, это будет объект с началом в конкретной точке. Если в абсолютно темной комнате или с завязанными глазами попасть в черную дыру, невозможно заметить ее границу. Потому что нет никакой твердой поверхности, человек сразу окажется внутри этой области.

Сергей сравнивает такой переход с государственными или областными границами. Если идти по лесу из одной страны в другую, то без указателей и карт невозможно заметить, в какой точке кончается одно государство и начинается другое. Лес в Финляндии ничем не отличается от леса в России, и нет никакой четкой границы, на которую можно наткнуться. И черная дыра — это такая область, где масса свернула пространство-время, и в итоге никакие предметы не могут ее покинуть, как только пересекут границу. Все, что туда попало, навсегда останется за горизонтом.

Черные дыры интересны в первую очередь как экстремальные объекты. Это максимально скрученное пространство-время, и многие эффекты становятся более заметны вблизи черных дыр. Начинают появляться принципиально новые физические феномены.

В теории гравитации стремятся подобраться как можно ближе к этим экстремальным объектам. Поэтому, говорит Сергей, изучение поведения вещества в окрестности черных дыр — очень интересная штука.

Возникновение

Существует два сценария возникновения: сильное сжатие массивной звезды, сжатие центра галактики или ее газа. Есть также гипотезы, что они сформировались после Большого Взрыва или возникли в результате возникновения огромного количества энергии в ядерной реакции.

Джет в галактике M87 — проявление активности сверхмассивной черной дыры в ядре галактики

Различают несколько основных видов: Сверхмассивные – очень разросшиеся, часто находятся в центре галактик; Первичные – предполагается, что они могли появиться при больших отклонениях в однородности гравитационного поля и плотности при появлении Вселенной; Квантовые – гипотетически возникают при ядерных реакциях и имеют микроскопические размеры.

Черные дыры не засасывают все вокруг

Все мы привыкли думать, что черная дыра – это всепоглощающее нечто. Но на самом деле черные дыры не засасывают все вокруг. Хорошо, не обязательно засасывают.

Если вы будете вращаться вокруг черной дыры, вы не обязательно начнете засасываться внутрь. Центробежная сила не даст вам просто взять упасть внутрь. Это случится лишь тогда, когда вы начнете экстренно тормозить, пытаясь прервать это вращение.

И когда вы, упадете, ваша скорость начнет возрастать до такой степени, что очень скоро достигнет скорости света. В этот момент ОТО и должна отойти на задний план. Ведь согласно теории Эйнштейна, скорость света является максимальной из возможных.

Здесь на сцену выходит квантовая гравитация, которая… тоже не может ничего сделать. Чтобы вы понимали, свет – это способ передачи информации из микромира в макро. Лишь свет задает лимит того, как быстро могут соединиться причина и следствие. Двигаясь быстрее скорости света, у вас появится возможность изменять события еще до того, как они произойдут. Однако, у таких действий имеются свои последствия:

• Если вы примите скорость света внутри черной дыры, вам понадобится двигаться еще быстрее, чтобы вылететь оттуда. ОТО говорит, что это невозможно, поэтому принято считать, что ничто не способно выйти из черной дыры, даже свет. Ничто не способно преодолеть горизонт событий – тот самый барьер, который ничто не может перейти.
• Это же нарушит и передачу информации на квантовом уровне.

Пока никто так и не придумал способ, которым можно было бы изменить теорию квантовой гравитации так, чтобы преодолеть горизонт событий стало возможным. Физики уже много лет бьются над решением этой задачи, но пока безуспешно.

Что новое фото может рассказать нам о том, что находится внутри черной дыры?

Новое изображение M87, которое является не просто фотографией, а скорее сборником данных из восьми обсерваторий по всему миру, предоставляет первое свидетельство в поддержку или противоречие теории черных дыр.

Физики, которым нужны более качественные тесты теории гравитации Эйнштейна, или те, кто ищет доказательства для разрушения этой теории, захотят увидеть, что же может объяснить полученное изображение.

На изображении яркие кольца – это аккреционный диск, орбитальная масса газов прямо перед горизонтом событий. Черное пространство в середине – это «тень» черной дыры.

Тем не менее изучение измерений и особенностей изображения даст астрофизикам больше информации, чем когда-либо прежде, чтобы помочь нам понять, как работают черные дыры. Возможно, они узнают, что происходит внутри их.

Несмотря на то что черные дыры прямо над нами, у ученых все еще есть много вопросов о них. Они продолжают изучать эти объекты, делая новые предположения и выводы. Хочется верить, что в скором времени ученым удастся полностью разгадать тайну черных дыр и использовать полученную информацию по назначению.

О черной дыре в центре галактики Млечный Путь

Чтобы случился прорыв в нашем понимании черных дыр, необходимо исследовать черную дыру в центре нашей Галактики, потому что именно ее массу мы знаем с высокой точностью. ❓ В 2020 году как раз за точное измерение массы центрального компактного объекта в нашей Галактике была дана половина Нобелевской премии по физике.

Центр нашей Галактики — это созвездие Стрельца (по латыни Sagittarius), а компактный объект в центре уже самого созвездия называется Sgr A * . Вокруг него можно видеть движение звезд и измерять параметры их орбит, а дальше на помощь снова приходит школьный курс физики, а точнее, обобщенные законы Кеплера: зная параметры орбиты, период обращения движения звезды по орбите и размеры орбит, можно измерить массу черной дыры .

Что, конечно же, и было сделано, поэтому нам с высочайшей точностью известна масса черной дыры в центре Млечного Пути — речь идет о массе, соответствующей «всего» 4 миллионам масс Солнца. И это немного. Например, размер горизонта событий для Девы А (откуда получено обсуждаемое изображение) равен примерно полутора световых дней. Соответственно, размер горизонта событий для черной дыры в центре нашей Галактики должен быть в тысячу раз меньше: она маленькая, и этого ореол вокруг нее постоянно меняет свой облик.

Трудность с получением изображения черной дыры в центре нашей Галактики можно сравнить с трудностями родителей, которые пытаются сфотографировать своего гиперактивного ребенка. Он постоянно вертится, его изображение меняется — то же самое происходит и в центре нашей Галактики. В дополнение к этому работает хитрый эффект рассеивания излучения , который был открыт нами недавно на «Радиоастроне». Рассеивание происходит на облаке межзвездной плазмы, которое находится посередине между Землей и центром нашей Галактики. Облако представляет собой свободные электроны в турбулентном облаке.

Сейчас между российскими, европейскими и американскими группами ученых готовится и активно обсуждается проект наземного космического интерферометра, который будет работать на миллиметровых длинах волн. С его помощью, как предполагается, удастся получить изображение тени от черной дыры в центре Млечного Пути намного быстрее . Мы рассчитываем на российский «Миллиметрон».

Что дальше? Зачем ученым черная дыра в центре Млечного пути? Мы знаем точно массу и расстояние до Sgr A * , поэтому планируем проверить общую теорию относительности Эйнштейна в сильном гравитационном поле этой черной дыры. Теория относительности проверяется уже сто лет, и пока ее предсказания соответствуют результатам всех экспериментов. Настало время развивать ее дальше.