Идея черных дыр существует уже более 200 лет. Сегодня мы видим их в ранее невообразимых формах.
Ключевые выводы
- Хотя мы думаем о них как о новых и захватывающих, идея черной дыры восходит к Джону Мичеллу в 1783 году.
- Только в 1960-х годах теория и наблюдения продвинулись достаточно далеко, чтобы предположить существование черных дыр, и с тех пор мы интенсивно их изучаем.
- Сегодня мы обнаруживаем их электромагнитные излучения, гравитационные волны от их слияний и даже непосредственно видим их горизонты событий. Добро пожаловать в золотой век.
Веками черные дыры были чисто теоретическими предположениями.
Этот крошечный кусочек глубокого поля GOODS-N, полученный многими обсерваториями, включая Хаббл, Спитцер, Чандра, XMM-Ньютон, Гершель, VLT и другими, содержит, казалось бы, ничем не примечательную красную точку. Этот объект, гибрид квазара и галактики, возникший всего через 730 миллионов лет после Большого взрыва, может стать ключом к разгадке тайны эволюции галактики и черной дыры. Доказательства физического существования и вездесущности черных дыр, когда-то спекулятивные, теперь неопровержимы.
Концепция впервые возникла в 1783 году, когда их предложил Джон Мичелл.
Свет Солнца обусловлен ядерным синтезом, который в основном превращает водород в гелий. Когда мы измеряем скорость вращения Солнца, мы обнаруживаем, что это один из самых медленных вращателей во всей Солнечной системе: на один оборот на 360 градусов требуется от 25 до 33 дней, в зависимости от широты. Излучая почти постоянную мощность 3,8 × 10 ^ 26 Вт, Солнце - самое яркое, что большинство из нас когда-либо видело. Хотя многие другие источники по своей природе ярче, они находятся намного дальше.
Если бы вы сохранили плотность Солнца, но увеличили его массу, свет не смог бы выйти выше ~500 солнечных масс.
Иллюстрация сильно искривленного пространства-времени для точечной массы, что соответствует физическому сценарию нахождения вне горизонта событий черной дыры. По мере того как вы все ближе и ближе приближаетесь к местоположению массы в пространстве-времени, пространство становится все более искривленным, что в конечном итоге приводит к месту, из которого не может выйти даже свет: горизонту событий. Радиус этого места определяется массой, зарядом и угловым моментом черной дыры, скоростью света и только законами общей теории относительности.
Хотя ничего не наблюдалось, идея возродилась с решением Карла Шварцшильда 1916 года в рамках общей теории относительности Эйнштейна.
Если вы начинаете со связанной, стационарной конфигурацией массы, и нет никаких негравитационных сил или эффектов (или все они незначительны по сравнению с гравитацией), эта масса всегда неизбежно будет разрушаться. к черной дыре. Это одна из основных причин, почему статическая, нерасширяющаяся Вселенная несовместима с общей теорией относительности Эйнштейна.
При наличии достаточной массы в заданном пространственном объеме коллапс в черную дыру становится неизбежным.
Так же, как черная дыра постоянно производит низкоэнергетическое тепловое излучение в форме излучения Хокинга за пределами горизонта событий, ускоряющаяся Вселенная с темной энергией (в виде космологической постоянной) будет постоянно производить излучение в совершенно аналогичной форме: излучение Унру, обусловленное космологическим горизонтом.
В 1963 году Рой Керр усовершенствовал решение Шварцшильда, включив в него вращение.
Вблизи черной дыры пространство течет либо как движущаяся дорожка, либо как водопад, в зависимости от того, как вы хотите это визуализировать. На горизонте событий, даже если бы вы бежали (или плыли) со скоростью света, не было бы преодоления потока пространства-времени, затягивающего вас в сингулярность в центре. Никто не знает, что происходит в центральной сингулярности.
Одновременно с открытием первых квазаров появились подозрительные свидетельства «черных дыр».
Радиосвойства галактики Альционей включают центральную активную черную дыру, коллимированные струи и два гигантских радиооблака на каждом конце. Млечный Путь показан внизу для масштаба, а также «10-кратный Млечный Путь» для перспективы.
Эти внегалактические QUAsi-StellAr Radio Sources (QUASARs) были сверхдальними, но ярко сияли в радиосвете и за его пределами.
Эта иллюстрация радио-громкого квазара, встроенного в звездообразующую галактику, дает крупный план того, как ожидается появление гигантских радиогалактик. В центре активной галактики со сверхмассивной черной дырой испускаются струи, которые врезаются в большее галактическое гало, заряжая газ и плазму энергией и вызывая радиоизлучение в виде струй рядом с черной дырой, а затем шлейфы и/или доли дальше. И сверхмассивные черные дыры, и черные дыры звездной массы имеют неопровержимые доказательства, подтверждающие их существование.
Затем Лебедь X-1, кандидат в черную дыру, излучающую рентгеновское излучение, был обнаружен в Млечном Пути.
Обнаруженный в 1964 году как источник рентгеновского излучения, соответствующий звездному объекту, вращающемуся вокруг черной дыры, Лебедь X-1 представляет собой первого кандидата в черные дыры, известного в Млечном Пути. Лебедь X-1 расположен рядом с крупными активными областями звездообразования в Млечном Пути: именно в этом месте ожидается обнаружение двойной черной дыры, излучающей рентгеновское излучение.
Тем временем Роджер Пенроуз продемонстрировал астрофизически, как черные дыры могут практически формироваться в нашей Вселенной.
Когда материя коллапсирует, она неизбежно может образовать черную дыру. Пенроуз первым разработал физику пространства-времени, применимую ко всем наблюдателям во всех точках пространства и во все моменты времени, которая управляет такой системой. С тех пор его концепция стала золотым стандартом общей теории относительности.
Джон Уиллер дал название «черные дыры» в 1968 году.
Вторая по величине черная дыра, видимая с Земли, расположенная в центре галактики M87, показана здесь в трех изображениях. Вверху - оптическое изображение от Хаббла, внизу слева - радио от NRAO, а внизу справа - рентгеновское излучение от Чандры. Эти разные изображения имеют разное разрешение в зависимости от оптической чувствительности, длины волны используемого света и размера зеркал телескопа, используемых для их наблюдения. Все это примеры излучения, испускаемого областями вокруг черных дыр, демонстрирующие, что черные дыры, в конце концов, не такие уж черные.
Когда-то спекулятивные, современные аргументы в их пользу неопровержимы.
Этот вид кокона, окружающего галактический центр Млечного Пути, составляет всего ~10 световых лет в поперечнике, но содержит и, возможно, питается от нашей центральной сверхмассивной черной дыры, которая весит примерно в 4 миллиона раз больше масса нашего Солнца.
Рентгеновское излучение возникает из-за ускоряющегося, падающего, сросшегося вещества.
14 сентября 2013 года астрономы зафиксировали крупнейшую из когда-либо зарегистрированных рентгеновских вспышек сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути, известной как Стрелец A. В рентгеновских лучах горизонт событий при этих разрешениях не виден; «свет» чисто дискообразный. Однако мы можем быть уверены, что только материя, остающаяся за горизонтом событий, излучает свет; материя, проходящая внутри него, добавляется к массе черной дыры, неизбежно попадая в центральную сингулярность черной дыры.
Отдельные звезды вращаются вокруг этих массивных несветящихся объектов.
Этот 20-летний таймлапс звезд вблизи центра нашей галактики взят из ESO, опубликованного в 2018 году. Обратите внимание, как разрешение и чувствительность деталей становятся более четкими и улучшаются к концу, когда все они находятся на орбите. центральная (невидимая) сверхмассивная черная дыра нашей галактики. Считается, что практически каждая крупная галактика, даже в ранние времена, содержит сверхмассивную черную дыру, но только та, что в центре Млечного Пути, находится достаточно близко, чтобы увидеть движение отдельных звезд вокруг нее и тем самым точно определить черную дыру. масса дыры.
Гравитационные волны возникают из обеих спиралей
Самый актуальный на ноябрь 2021 года график всех черных дыр и нейтронных звезд, наблюдаемых как электромагнитными, так и гравитационными волнами. В то время как они включают объекты в диапазоне от чуть более 1 солнечной массы для самых легких нейтронных звезд до объектов чуть более 100 солнечных масс для черных дыр после слияния, гравитационно-волновая астрономия в настоящее время чувствительна только к очень узкому набору объектов.. Все ближайшие черные дыры были обнаружены как двойные рентгеновские системы до открытия Gaia BH1 в ноябре 2022 года.
и слияния.
При столкновении двух нейтронных звезд, если их общая масса достаточно велика, они приведут не только к взрыву килоновой и повсеместному образованию тяжелых элементов, но и к образованию нового черного дыра от остатков после слияния. Гравитационные волны и гамма-лучи от слияния распространяются с неразличимыми скоростями: со скоростью всех безмассовых частиц.
И фотонные выбросы теперь раскрывают свои горизонты,
Сравнение размеров двух черных дыр, полученных телескопом Event Horizon Telescope (EHT): M87 в центре галактики Мессье 87 и Стрелец A (Sgr A) в центр Млечного Пути. Хотя черную дыру Мессье 87 легче изобразить из-за медленного изменения времени, дыра вокруг центра Млечного Пути является самой большой, если смотреть с Земли.
включая поляризацию,
Поляризованный вид черной дыры в M87. Линии отмечают ориентацию поляризации, которая связана с магнитным полем вокруг тени черной дыры. Обратите внимание, насколько более закрученным выглядит это изображение, чем оригинал, который был более похож на каплю. Вполне ожидаемо, что все сверхмассивные черные дыры будут демонстрировать поляризационные сигнатуры, отпечатанные в их излучении, расчет, для предсказания которого требуется взаимодействие общей теории относительности с электромагнетизмом. Кроме того, за пределами горизонта событий из-за искривления самого пространства постоянно испускается небольшое количество излучения: излучение Хокинга, которое в конечном итоге будет ответственно за распад этой черной дыры.
напрямую. Добро пожаловать в золотой век черных дыр.
Усредненные по времени данные из нескольких разных моментов времени, которые показывают серию снимков эволюции излучения, исходящего от Стрельца A. «Средняя» структура изображения не соответствует быстрой эволюции излучения вокруг этого объекта во времени.
Mostly Mute Monday рассказывает астрономическую историю с помощью изображений, визуальных эффектов и не более 200 слов. Меньше болтай; улыбайся больше.