Астрофизик рассказал, откуда мы знаем, что черные дыры действительно существуют
Британский астрофизик Эндрю Мэй назвал восемь способов убедиться, что черные дыры действительно существуют.
Из всех концепций астрономии черные дыры могут показаться самыми странными. Область космоса, из которой ничто, даже свет, не может ускользнуть, кажется устрашающей. Поскольку в черных дырах нарушаются все обычные правила физики, возникает соблазн отнести их к разряду научной фантастики. Тем не менее существует множество доказательств — как прямых, так и косвенных, что они действительно существуют во Вселенной.
Теория Эйнштейна
Теоретически существование черных дыр предсказал в 1916 году Карл Шварцшильд, который обнаружил, что они являются неизбежным следствием общей теории относительности Эйнштейна. Другими словами, если теория Эйнштейна верна — а все свидетельства подтверждают это, — черные дыры должны существовать.
Впоследствии расчеты были подтвердили Роджер Пенроуз и Стивен Хокинг, которые показали, что любой объект, коллапсирующий в черную дыру, образует сингулярность, в которой традиционные законы физики нарушаются. За работы над теорией черных дыр Пенроуз был удостоен Нобелевской премии по физике 2020 года.
Гамма-всплески
В 1930-е 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 эта звезда действительно большая, скажем, с массой 20 Солнц, то ее плотное ядро, которое может быть в три или более раз больше массы Солнца, коллапсирует вплоть до черной дыры. Окончательный коллапс ядра происходит невероятно быстро, за считаные секунды, и высвобождает огромное количество энергии в виде гамма-всплеска. Эта вспышка может излучить в космос столько энергии, сколько излучает обычная звезда за все время своей жизни.
Телескопы на Земле обнаружили многие из этих всплесков, причем некоторые из них исходят от галактик, находящихся на расстоянии миллиардов световых лет, так что мы действительно видим рождение черных дыр.
Гравитационные волны
Черные дыры не всегда существуют изолированно — иногда они возникают парами, вращаясь вокруг друг друга. Когда они это делают, гравитационное взаимодействие между ними создает рябь в пространстве-времени, которая распространяется наружу в виде гравитационных волн (еще одно предсказание теории относительности Эйнштейна).
О первом открытии, связанном со слиянием двух черных дыр, было объявлено еще в 2016 году, и с тех пор были обнаружены и другие такие объекты. Помимо слияния черных дыр, обнаруживаются и другие генерирующие волны события, такие как столкновение между черной дырой и нейтронной звездой.
Невидимый спутник
Короткоживущие высокоэнергетические события, вызывающие гамма-всплески и гравитационные волны, могут быть видны на расстоянии половины Вселенной, но большую часть своей жизни черные дыры по самой своей природе будут почти необнаруживаемыми. Тот факт, что они не излучают ни света, ни других волн, означает, что они могли бы скрываться в наших космических окрестностях, а астрономы не знают об этом.
Однако есть один верный способ обнаружить черные дыры — это их гравитационное воздействие на другие звезды. При наблюдении за обычной на вид двойной системой HR 6819 в 2020 году астрономы заметили странности в движении двух видимых звезд, которые можно было бы объяснить, только если бы там был третий, полностью невидимый объект. Когда они вычислили его массу — по крайней мере в четыре раза больше, чем у Солнца, — то поняли, что остается только одна возможность. Это должна была быть черная дыра — ближайшая к Земле из всех обнаруженных, всего в тысяче световых лет внутри нашей Галактики.
Рентгеновские лучи
Первое наблюдательное свидетельство существования черной дыры появилось в 1971 году, и это тоже было получено из двойной звездной системы в нашей собственной Галактике. Система Лебедь X-1 — один из самых ярких источников рентгеновских лучей во Вселенной. Они исходят не от самой черной дыры и не от ее видимой звезды-компаньона. Вещество постоянно отделяется от гигантской звезды и втягивается в аккреционный диск вокруг черной дыры, и именно из этого аккреционного диска исходят рентгеновские лучи. Согласно последним расчетам, невидимый объект с массой в 21 солнечную сконцентрирован в таком маленьком пространстве, что это не может быть ничем иным, кроме как черной дырой.
Сверхмассивные черные дыры
В дополнение к черным дырам, возникшим в результате звездного коллапса, существуют сверхмассивные черные дыры, каждая из которых имеет миллионы или даже миллиарды солнечных масс. Они скрывались в центрах галактик с самого начала истории Вселенной. Центральные черные дыры в активных галактиках окружены аккреционными дисками, которые производят интенсивное излучение на всех длинах волн света.
У нас также есть свидетельства того, что в центре нашей Галактики находится черная дыра. Мы видим звезды в этой области, которые вращаются так быстро — до 8% от скорости света, — что они могут двигаться только вокруг чего-то чрезвычайно маленького и массивного. По текущим оценкам, центральная черная дыра Млечного Пути Стрелец А* имеет массу около 4 млн солнечных.
Спагеттификация
Еще одно свидетельство существования черных дыр — это спагеттификация. Это то, что происходит, когда вы падаете в черную дыру. Чрезвычайная гравитационная сила черной дыры растягивает вас на тонкие нити. К счастью, это вряд ли случится с вами или с кем-то из ваших знакомых, но это вполне может быть судьбой звезды, которая блуждает слишком близко к сверхмассивной черной дыре. В октябре 2020 года астрономы стали свидетелями такого разрыва — или, по крайней мере, они увидели вспышку света от несчастной звезды, когда она разорвалась на части. К счастью, спагеттификация произошла не где-нибудь рядом с Землей, а в галактике на расстоянии 215 млн световых лет от нас.
И наконец, прямое изображение
До сих пор у нас было множество неопровержимых косвенных 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 ясно видна темная тень черной дыры с массой 6,5 млрд солнечных на фоне оранжевого свечения окружающего ее аккреционного диска.сол