Черные дыры — одни из самых странных объектов космоса. Там материя настолько плотно «упакована», что ничто, даже свет, не может ускользнуть оттуда. Несмотря на то, что в черных дырах не работают обычные правила физики, существует множество доказательств — как прямых, так и косвенных, что они действительно существуют во Вселенной. Рассказываем о некоторых из них.
Их предсказали ученые
В 1916 году Карл Шварцшильд предсказал черные дыры в качестве теоретического объекта. Он обнаружил, что это логичное следствие общей теории относительности Эйнштейна (ОТО). Другими словами, если теория Эйнштейна верна, черные дыры должны существовать. Впоследствии Роджер Пенроуз и Стивен Хокинг в своих работах показали, что любой объект, коллапсирующий в черную дыру, образует сингулярность. В ней традиционные законы физики нарушаются. За это открытие Пенроуз получил часть Нобелевской премии по физике в 2020 году — «за открытие, что образование черной дыры является надежным предсказанием общей теории относительности».
На Земле видно, как они рождаются
В 1930-х годах индийский астрофизик Субраманиан Чандрасекар изучал, что происходит со звездой, когда она расходует все «топливо». Он обнаружил, что конечный результат зависит от массы звезды. Если эта звезда действительно большая, скажем, с массой 20 Солнц, то ее плотное ядро коллапсирует вплоть до черной дыры.
Все это происходит невероятно быстро, за считанные секунды, и высвобождает огромное количество энергии в виде гамма-всплеска. Эта вспышка может излучать в космос столько энергии, сколько излучает обычная звезда за все время своей жизни. И телескопы на Земле засекли несколько таких событий, когда рождаются черные дыры, несмотря на расстояние в миллиарды световых лет.
Две черные дыры создают рябь в пространстве-времени
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 в виде гравитационных волн. Кстати, это еще одно предсказание теории относительности Эйнштейна.
Такие обсерватории, как LIGO и Virgo, дают ученым возможность обнаруживать эти волны. О первом открытии, связанном со слиянием двух черных дыр, физики объявили еще в 2016 году. По мере повышения чувствительности детектора ученые обнаруживают и другие события, которые вызвали гравитационные волны. Например, столкновение между черной дырой и нейтронной звездой, которое произошло далеко за пределами Млечного Пути на расстоянии от 650 млн до 1,5 млрд световых лет от Земли.
Гравитационное воздействие на звезды
Еще одно доказательство существование черных дыр — их гравитационное воздействие на другие звезды. При наблюдении за обычной на парой вращающихся звезд HR 6819 в 2020 году астрономы заметили странности в их движении.
Их можно объяснить разве что присутствием третьего, полностью невидимого объекта. Ученые вычислили его массу — она оказалась в четыре раза больше, чем у Солнца — и поняли, что это может быть только черная дыра. Кстати, она из ближайших к Земле, находится всего в 1 000 световых лет от нее.
Источник рентгеновского излучения оказался черной дырой
Самым первым объектом, которые ученые признали черной дырой, стал объект Лебедь X-1 (Cygnus X-1, или Cyg X-1). Это источник рентгеновского излучения в созвездии Лебедя, открытый в 1964 году. Практически сразу астрономы предположили, что источником излучения является черная дыра, которая находится в двойной системе вместе с голубым сверхгигантом. Однако многие специалисты полагали, что все доказательства ее существования являются косвенными, а Лебедь X-1 может представлять собой, например, нейтронную звезду. Британский астроном и популяризатор науки Стивен Хокинг в 1974 году заключил пари, что это не так.
Основное препятствие к тому, чтобы признать Лебедь X-1 черной дырой — это неопределенность расстояния до объекта. Однако в 2011 году астрономы его вычислили.
Авторы новой работы анализировали данные, собранные массивом радиотелескопов Very Long Baseline Array. Согласно ученым, расстояние до Лебедь X-1 равно 6 050 световых лет ±400 световых лет. При этом масса голубого сверхгиганта в 19 раз больше массы Солнца, а самого источника рентгеновского излучения — в 14,8 раз больше солнечной массы.
Новое значение массы намного больше критического предела, который разделяет нейтронную звезду и черную дыру (после «смерти» крупная звезда может превратиться в один из этих объектов). Таким образом, в новой работе представлены доказательства того, что самая первая черная дыра действительно является таковой.
Еще одно доказательство — влияние сверхмассивных черных дыр на галактики
Данные ученых свидетельствуют о том, что, кроме обычных черных дыр, существуют и сверхмассивные. У каждой из них есть миллионы или даже миллиарды солнечных масс, и они скрываются в центрах галактик с самого начала истории Вселенной.
Еще один способ доказать существование черных дыр — отследить, как эти сверхмассивные объекты ведут себя в центре галактик. Во-первых, по данным NASA, они окружены аккреционными дисками, которые производят интенсивное излучение на всех длинах волн света. У ученых есть свидетельства того, что одна из них — массивный и компактный объект Sgr A* (Стрелец А*) — находится в центре Млечного Пути. Во-вторых, чем ближе к черной дыре звезды, тем сильнее они вращаются — до 8% от скорости света.
Черная дыра превратила звезду в «спагетти»
Еще одно свидетельство существования черных дыр — это спагеттификация. Во время этого процесса огромная гравитационная сила черной дыры растягивает объект на тонкие нити. Обычно это происходит со звездой, которая приблизилась к черной дыре. В октябре 2020 года астрономы стали свидетелями спагеттификации. Они увидели вспышку света от звезды, когда черная дыра разорвала ее на части. Это произошло в галактике на расстоянии 215 млн световых лет от Земли.
И напоследок — прямое изображение
В апреле 2019 года ученые получили первое в истории прямое изображения сверхмассивной черной дыры в центре активной галактики Мессье 87.
Эту фотографию астрономы сделали при помощи телескопа Event Horizon. На самом деле это не один инструмент, а большая сеть телескопов, разбросанных по всему миру. На фотографии четко видно темную тень черной дыры с массой 6,5 млрд солнечных на фоне оранжевого свечения окружающего ее аккреционного диска.
Читать далее
Посмотрите на обновленные истребители F-15: они несут 24 ракеты класса «воздух-земля»
Космический корабль в несколько километров: все, что известно о новом проекте Китая
К 2100 году 95% поверхности океанов станут непригодны для жизни