Способы обнаружения черных дыр во вселенной

Охота на невидимок: как ученые ищут черные дыры

Черные дыры были предсказаны общей теорией относительности (ОТО), созданной Альбертом Эйнштейном. Эта теория рассматривает гравитацию как искривление пространства-времени. В 1915 году Карл Шварцшильд сделал из уравнений ОТО удивительный вывод. Допустим, что существует объект невообразимой плотности: при массе Земли он будет иметь радиус порядка одного сантиметра, а при массе Солнца — несколько километров. Тогда тяготение этого сверхплотного монстра свернет вокруг него пространство-время. В этой искривленной геометрии прямые линии, по которым движутся лучи света, превратятся в замкнутые кольца. По ним свет и будет путешествовать, никогда не добираясь до удаленного наблюдателя. Вот почему ничто, даже свет, не сможет вырваться наружу из этого кокона.

Но откуда возьмется этот аттракцион невиданной плотности? Какая сила может сжать звезду до размера в несколько километров? Черные дыры долго казались абсурдом, теоретическим курьезом. Скепсис по их поводу выражал и сам Эйнштейн.

Однако в 1930-1960-хх гг. теоретики доказали, что черные дыры могут возникать при взрыве самых массивных звезд (массой более 30 солнц). В конце жизни такое светило взрывается как сверхновая. При этом внешние слои звезды улетают в космос, а ядро стремительно сжимается и превращается в черную дыру.

Пламя над бездной

Пока теоретики искали черные дыры в дебрях своих выкладок, наблюдатели совершенно неожиданно нашли их в космосе. Удивительно, но всепоглощающие невидимки оказались светильниками космического масштаба.

Дело в том, что у черной дыры «короткие руки». Поверхность, из-под которой не может вырваться никто и ничто, имеет вполне конкретный радиус. Измеренный в километрах, он равен утроенной массе черной дыры, измеренной в массах Солнца. Все, что находится дальше, может со временем упасть в черную дыру, но может и ускользнуть. А уж свет и другое излучение ускользает с легкостью.

В центрах галактик есть сверхмассивные черные дыры массой от миллионов до десятков миллиардов солнц. Некоторые из них окружены плотным облаком вещества, которое они с удовольствием поглощают. Потоки материи, кружащие над черной дырой, но еще не пересекшие «границу невозврата», сталкиваются друг с другом и разогреваются трением до огромных температур. Раскаленный газ ярко светится в рентгеновском, а иногда и в других диапазонах. В результате светимость некоторых черных дыр достигает сотен триллионов солнц, превращая их в мощнейшие источники излучения во Вселенной.

Сверхмассивные черные дыры в центрах галактик были открыты в 1960-х гг. Правда, осторожные ученые далеко не сразу признали, что это именно черные дыры, а не какие-то другие тела. Окончательные доказательства были получены уже в этом столетии. В 2008 году Райнхард Генцель и Андреа Гез доказали, что объект в центре нашей собственной Галактики может быть только черной дырой (за что и получили Нобелевскую премию по физике 2020 года, вместе с теоретиком Роджером Пенроузом). А в 2019 году коллаборация «Телескоп горизонта событий» (Event Horizon Telescope) исследовала центральную черную дыру галактики M87. Тогда астрономы впервые в истории получили настолько детальное изображение (в радиоволнах), что разглядели саму черную дыру, а не просто падающее на нее вещество.

Сегодня наблюдателям известны миллионы сверхмассивных черных дыр, открытые благодаря их излучению. Но считается, что в центре практически каждой крупной галактики (а их в видимой Вселенной сотни миллиардов) есть собственный сверхмассивный монстр, просто большинство из них уже исчерпало запасы вещества и перестало светиться. Правда, до сих пор не вполне понятно, как образуются такие громадины.

Танцы со звездами

А как же черные дыры, которые получаются из ядер массивных звезд? Они тоже испускают рентгеновские лучи, если поглощают материю. Вот только эти крошки редко могут похвастаться королевской трапезой. Черная дыра звездной массы может устроить себе пир, только медленно поглощая звезду-спутник. Если этот светило-компаньон располагается слишком близко, мощная гравитация черной дыры буквально растягивает его, делая похожим не на шар, а на картофелину, и отрывает его вещество по кусочку.

Сами по себе звездные пары — явление заурядное. Но они редко бывают настолько тесными, чтобы черная дыра получила шанс на каннибальский обед. Вот почему наблюдателям-«рентгенологам» известно лишь несколько десятков черных дыр звездной массы, хотя первая из них была найдена еще в 1970-х. Теоретически же в одном только Млечном Пути должны быть сотни миллионов черных дыр, возникших из взорвавшихся звезд.

Есть и еще один способ находить черные дыры звездной массы благодаря их спутникам. Он не требует, чтобы черная дыра пожирала своего компаньона. Нужно лишь внимательно следить за движением звезды. Так можно зафиксировать, что светило обращается вокруг чего-то невидимого, и вычислить массу невидимки. Если последняя тяжелее трех солнц, она может быть только черной дырой: для нейтронной звезды это слишком большая масса, а обычная звезда светилась бы.

Потенциально таким способом можно обнаружить множество космических невидимок. Но он требует уж очень тщательных наблюдений, поэтому пока подарил нам лишь несколько черных дыр. Кстати, совсем недавно ученые впервые применили его к объекту за пределами Галактики. Они обнаружили черную дыру массой 9–13 солнц в Большом Магеллановом Облаке — галактике-спутнике Млечного Пути. Правда, для этого потребовалось два с лишним года наблюдений на VLT, самом большом оптическом телескопе в мире. Ранее черные дыры звездной массы за пределами Млечного Пути находили только благодаря рентгеновскому излучению или гравитационным волнам.

Сотрясение пространства и времени

Кстати, о последних. Гравитационная волна — это искажение пространства-времени. Она меняет само расстояние между точками пространства. Но не надейтесь, оседлав волну, сократить путь до работы: эти колебания невероятно малы. Теоретически гравитационная волна возникает всегда, когда физическое тело движется с ускорением, даже если это падающее на пол перышко. На практике же даже самые чувствительные современные детекторы различают гравитационное «эхо» лишь таких космических катаклизмов, как столкновения черных дыр или нейтронных звезд. Немудрено: под действием этого «гравитационного цунами» даже километровые расстояния меняются меньше чем на радиус протона! Установки, фиксирующие подобные колебания — настоящее чудо инженерного искусства.

Первый «сезон охоты» на гравитационные волны, принесший какие-то результаты, состоялся в 2015-2016 гг. Он проводился с помощью американского детектора LIGO (стоившего, кстати, $365 млн). Тогда физики зафиксировали три столкновения черных дыр. После этого детектор остановили, чтобы повысить его чувствительность. И не зря: во втором сезоне (2016–2017 гг) было зафиксировано уже семь столкновений черных дыр и одно столкновение нейтронных звезд. Отметим, что с этого сезона к LIGO присоединился европейский детектор VIRGO. Но ученые не остановились на достигнутом и снова модернизировали установки. В результате сезон 3a (апрель–сентябрь 2019 года) принес уже 44 события, то есть они регистрировались чаще, чем раз в неделю. И совсем недавно исследователи подвели итоги сезона 3b (ноябрь 2019-го – март 2020 гг.). Зафиксировано 35 событий, в том числе первые столкновения черных дыр с нейтронными звездами. О 18 из этих 35 «космических ДТП» ученые ранее сообщали по горячим следам, а об остальных 17 они отчитались впервые. К слову, ближе к концу этого сезона к поискам присоединился третий и пока последний детектор — японский KAGRA.

Таким образом, на сегодня зафиксировано около 90 столкновений черных дыр друг с другом или (гораздо реже) с нейтронными звездами. Для каждой отдельной галактики это чрезвычайно редкое событие. Но детекторы обозревают пространство на сотни миллионов световых лет, и в их поле зрения попадает множество галактик.

Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения автора

Источник

Черные дыры: почему они черные, как их находят и при чем здесь квазары

Что такое черная дыра

Черная дыра — это область внутри космоса с настолько сильной гравитацией, что она засасывает все вокруг, включая свет. Профессор РАН Сергей Попов объясняет, что у черных дыр нет одного четкого определения, и даже такое — это один из вариантов. Если спросить разных ученых — астрофизиков и физиков — они подойдут к ответу с разных сторон. Есть энциклопедические словари, которые закрепляют определения и дают конкретные ответы, но единственно верной формулировки не существует.

Сам Сергей определяет черные дыры как максимально компактный объект, который не демонстрирует свойств поверхности. И размер этого объекта соответствует радиусу Шварцшильда — расстоянию от центра тела до горизонта событий. Где горизонт событий — это «точка невозврата» или граница черной дыры. Для каждого объекта существует свой радиус Шварцшильда, который можно рассчитать. Если сжать любой предмет до этого радиуса, он превратится в черную дыру. Условно говоря, если бы мы хотели сжать Солнце и трансформировать его в черную дыру, его радиус составил бы всего 3 км, при изначальных около 700 тыс. км.

Само словосочетание «черная дыра» — это просто удачно придуманное обозначение. Примерно как «Большой взрыв». Сама идея черных дыр возникла в конце XVIII века. Тогда их называли по-другому: были варианты «застывшие звезды» или «коллапсары». Но в итоге научная журналистка Энн Юинг предложила такой термин.

Сергей рассказывает, что в науке часто приживается какое-то словосочетание именно благодаря тому, что оно удобное. Дыра — потому что, если что-то туда попало, то не может выбраться назад. А черная — потому, что сам по себе этот объект ничего или практически ничего не излучает. Если представить пустую Вселенную, черный космос, и поместить там черную дыру, то ее невозможно будет увидеть. Она ничем не выделяется на фоне этой черноты.

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.

Как обнаружить черную дыру

В конце своей жизни массивные звезды могут превращаться в черные дыры. И на этапе, когда только пытались найти первые черные дыры, возник вопрос: как их можно обнаружить. Первая идея была такой: звезды, особенно массивные, нередко рождаются парами. Одна из таких звезд превращается в черную дыру, и мы перестаем ее видеть. При этом она продолжает существовать. Предполагалось, что мы сможем увидеть вращение соседней звезды вокруг этого невидимого объекта, при помощи вычислений измерить его массу и обнаружить, что в этом месте находится черная дыра.

Сергей Попов рассказывает, что исторически это был первый предложенный способ поиска. С 60-х годов ученые пытались искать их по такому методу, но ничего не обнаружили. Последние пару лет стали появляться возможные кандидаты на звание черных дыр, но ученые пока не уверены, что в паре с обычными звездами находятся именно они.

Если опять обратиться к черной дыре, которая соседствует со звездой, то вещество с обычной звезды может перетекать в дыру. Черная дыра своей гравитацией будет засасывать это вещество. Если представить, что в нее одновременно кинули два камня, они могут столкнуться над горизонтом на скорости почти равной скорости света. При таком столкновении выделится много энергии, которую можно заметить.

Но в звездах не камни, а газ. Когда разные слои газа трутся друг о друга, они нагреваются до миллионов градусов, и это тепло можно увидеть. С помощью такого способа в конце 60-х — начале 70-х годов, когда стали запускать первые рентгеновские детекторы в космос, открыли и первые черные дыры.

В начале 60-х годов стало ясно, что есть яркие астрономические объекты — квазары. Дословно— «похожий на звезду радиоисточник». Это активные ядра галактик на начальном этапе развития, в центре которых находятся сверхмассивные черные дыры. Обнаружить их можно даже на очень отдаленных расстояниях. В ходе изучения квазаров стало ясно, что это небольшой источник, который находится в центре далекой галактики и при этом испускает много энергии. Попов рассказывает, что когда ученые открывают квазар, они уверены, что там «сидит» сверхмассивная черная дыра. Сейчас это самый массовый способ открытия черных дыр.

Почти все массивные звезды превращаются в черные дыры, но не все они находятся в двойных системах, или у них нет перетекания. В таком случае дыры ищут другим способом. Сергей рассказывает, что черная дыра сильно искажает пространство-время вокруг себя, но тут важна не столько масса, сколько компактность. Понять это легко, достаточно представить острый предмет. Это предмет с очень маленькой площадью. Если просто ткнуть куда-то пальцем, нельзя проткнуть поверхность, а если с такой же силой надавить на иголку, то проткнется палец, которым на нее давят. Так вот маленькие объекты при той же массе сильнее искривляют пространство-время вокруг себя. Такой эффект называется гравитационным линзированием.

Ученые наблюдают за звездой и вдруг замечают, что ее блеск растет, а потом совершенно симметрично спадает обратно. Со звездой ничего не произошло, но между нами и звездой пролетел массивный объект. И этот массивный объект, искажая пространство-время, собрал световые лучи.

Поэтому кажется, будто возрастает светимость звезды, а на самом деле просто больше ее света было собрано и попало к нам. Звезда с массой десять масс Солнца светила бы очень заметно, ученые бы ее не пропустили. А в таких наблюдениях появляется абсолютно темный объект с массой примерно десять солнечных. Что это может быть? Только черная дыра.

Если есть пара черных дыр, то, сливаясь, они будут порождать гравитационно-волновой всплеск. И в 2015 году впервые были обнаружены такие всплески гравитационного излучения. Это последний на сегодняшний день хороший способ поиска черных дыр.

Как сфотографировать черную дыру

Сергей Попов предлагает вспомнить фильмы или книги о человеке-невидимке. Его не видно, но если он надевает на себя одежду, мы видим одежду. Если пытается скрыться, то можно обсыпать его мукой или заметить следы. Черные дыры изучают примерно тем же способом. Ученые не видят горизонт событий и не видят недра черной дыры, поскольку ничто не может пересечь горизонт обратно в нашу сторону. Но они изучают поведение вещества вокруг.

То, что принято называть фотографией черной дыры, на самом деле — изображение вещества, движущегося вокруг черной дыры. Но в центре действительно возникает темная область, поскольку там находится черная дыра, из которой не может исходить свет.

По большей части черные дыры — маленькие объекты, находящиеся очень далеко от нас. Разглядеть черноту внутри яркой области удалось всего в одном случае. Для качественного снимка нужна была самая большая черная дыра в центре относительно близкой галактики. Дальше встала техническая задача — получить изображение с достаточной детализацией. Ни один телескоп сам по себе не может сделать такое изображение. Но если совместить несколько телескопов и разнести их на большие расстояния, то с точки зрения деталей они будут работать как один большой телескоп. Именно таким способом, при помощи нескольких телескопов, разбросанных почти по всему земному шару, удалось сделать снимок того, что все называют фотографией черной дыры в галактике М87. Такая фотография пока остается единственной.

Чтобы получить нечто похожее на снимок от других объектов, ученым нужны новые инструменты. Тем не менее есть прямые данные наблюдения поведения вещества вокруг разных черных дыр, практически вплоть до самого горизонта. До расстояния всего в несколько раз превышающих размер горизонта черной дыры.

Источник