Астрофизик рассказал, откуда мы знаем, что черные дыры действительно существуют

Из всех концепций астрономии черные дыры могут показаться самыми странными. Область космоса, из которой ничто, даже свет, не может вырваться, кажется устрашающей. Поскольку черные дыры нарушают все обычные законы физики, возникает соблазн отнести их к разряду научной фантастики. Тем не менее, существует достаточно доказательств, как прямых, так и косвенных, что они существуют во Вселенной.

Содержание

Теория Эйнштейна

Существование черных дыр было теоретически предсказано в 1916 году Карлом Шварцшильдом, который обнаружил, что они являются неизбежным следствием общей теории относительности Эйнштейна. Другими словами, если теория Эйнштейна верна — и все доказательства ее подтверждают, — черные дыры должны существовать.

Эти расчеты позже подтвердили Роджер Пенроуз и Стивен Хокинг, показавшие, что любой объект, схлопывающийся в черную дыру, создает сингулярность, в которой нарушаются общепринятые законы физики. Пенроуз был удостоен Нобелевской премии по физике в 2020 году за работу по теории черных дыр.

Гамма-всплески

В 1930-х годах индийский астрофизик Субраманиан Чандрасекар изучал, что происходит со звездой, когда она израсходует все свое ядерное топливо. Он обнаружил, что конечный результат зависит от массы звезды. Если звезда действительно большая, скажем, 20 солнц, ее плотное ядро, масса которого может в три или более раз превышать массу солнца, схлопнется в черную дыру. Окончательный коллапс ядра происходит невероятно быстро, в течение нескольких секунд, и высвобождает огромное количество энергии в виде гамма-всплеска. Такой взрыв может излучать в космос столько же энергии, сколько излучает обычная звезда за время своего существования.

Земные телескопы зафиксировали многие из этих вспышек, а некоторые исходят из галактик, удаленных от нас на миллиарды световых лет, так что мы фактически наблюдаем рождение черных дыр.

Гравитационные волны

Черные дыры не всегда существуют изолированно — иногда они формируются парами, вращаясь вокруг друг друга. Когда это происходит, гравитационное взаимодействие между ними создает неровности в пространстве-времени, которые распространяются наружу в виде гравитационных волн (еще одно предсказание теории относительности Эйнштейна).

О первом открытии слияния двух черных дыр было объявлено в 2016 году, и с тех пор таких объектов было обнаружено больше. В дополнение к слиянию черных дыр также были обнаружены другие события, генерирующие волны, такие как столкновение черной дыры с нейтронной звездой.

Невидимый спутник

Кратковременные высокоэнергетические гамма-всплески и гравитационно-волновые события могут быть видны на полпути во Вселенной, но черные дыры по самой своей природе будут практически незаметны большую часть своей жизни. Тот факт, что они не излучают свет или другие волны, означает, что они могут скрываться в наших космических окрестностях, а астрономы об этом не подозревают.

Однако есть один верный способ обнаружить черные дыры — это их гравитационное воздействие на другие звезды. При наблюдении в 2020 году явно нормальной двойной системы HR 6819 астрономы заметили странности в движении двух видимых звезд, которые можно было объяснить только третьим, совершенно невидимым объектом. Когда они подсчитали его массу — по крайней мере, в четыре раза больше массы Солнца — они поняли, что осталась только одна возможность. Это должна была быть черная дыра — самая близкая к Земле из всех открытий, всего в тысяче световых лет внутри нашей галактики.

Рентгеновские лучи

Первое наблюдательное свидетельство существования черной дыры появилось в 1971 году и также было получено из двойной звездной системы в нашей собственной галактике. Система Лебедь Х-1 — один из самых ярких источников рентгеновского излучения во Вселенной. Они исходят не от самой черной дыры или ее видимой звезды-компаньона. Материя постоянно отделяется от звезды-гиганта и втягивается в аккреционный диск вокруг черной дыры, и именно из этого аккреционного диска испускается рентгеновское излучение. Согласно последним расчетам, невидимый объект массой в 21 массу Солнца сосредоточен в столь малом пространстве, что не может быть ничем иным, как черной дырой.

Сверхмассивные черные дыры

Помимо черных дыр, образовавшихся в результате коллапса звезд, существуют сверхмассивные черные дыры, каждая из которых имеет массу в миллионы или даже миллиарды солнечных масс. Они прячутся в центрах галактик с самого начала истории Вселенной. Центральные черные дыры в активных галактиках окружены аккреционными дисками, производящими интенсивное излучение на всех длинах волн света.

У нас также есть доказательства существования черной дыры в центре нашей галактики. Мы видим, что в этой области звезды вращаются так быстро — до 8% скорости света, — что они могут двигаться только вокруг чего-то очень маленького и массивного. По текущим оценкам, центральная черная дыра Стрельца A* Млечного Пути имеет массу около 4 миллионов масс Солнца.

Спагеттификация

Еще одним свидетельством существования черных дыр являются спагетти. Вот что происходит, когда вы попадаете в черную дыру. Чрезвычайная гравитационная сила черной дыры растягивает вас в тонкие нити. К счастью, это вряд ли случится с вами или кем-то из ваших знакомых, но вполне может быть судьбой звезды, блуждающей слишком близко к сверхмассивной черной дыре. В октябре 2020 года астрономы стали свидетелями такого разрыва — или, по крайней мере, увидели вспышку света от несчастной звезды, когда она разрывалась на части. К счастью, спагеттификация произошла не где-то рядом с Землей, а в галактике на расстоянии 215 миллионов световых лет.

И наконец, прямое изображение

До сих пор у нас было много неопровержимых доказательств существования черных дыр. Но последний решающий аргумент появился в апреле 2019 года в виде прямого изображения сверхмассивной черной дыры в центре активной галактики Мессье 87. На изображении отчетливо видна темная тень черной дыры массой 6,5 миллиардов солнечных на фоне оранжевого свечения. окружающего аккреционного диска.