НАУЧТЕХ

Учёные подтвердили существование чёрных дыр промежуточной массы

О чёрных дырах звёздной массы и сверхмассивных областях пространства-времени известно достаточно давно, но порядка 300 особенных чёрных дыр до недавнего времени не только не укладывались в привычные представления астрофизики, но и оставались неуловимы для телескопов, что делало их существование лишь предположением
Иллюстрация поглощения звезды чёрной дырой средней массы
NASA / JPL-Caltech

Учёным из Университета Аризоны удалось впервые отследить чёрную дыру промежуточной (средней) массы. В силу особенностей космического объекта до недавнего времени астрономы могли лишь предполагать её существование, однако теперь получены неопровержимые доказательства.

Группа специалистов из обсерватории Стюарда при университете зафиксировала, как данная чёрная дыра поглотила звезду. Благодаря своеобразной космической катастрофе учёные смогли измерить скорость вращения и массу этой области пространства-времени, что подтвердило теорию о существовании чёрных дыр средней массы, которые практически незаметны вне подобных проявлений.

Астрофизик, профессор РАН Сергей Попов подробно рассказал Metro, что вообще представляют из себя чёрные дыры и что будет, если случайно туда попасть.

Кто вообще придумал термин “чёрная дыра”?

Современная концепция чёрных дыр могла появиться только после появления общей теории относительности. А вот сам термин возник гораздо позже. Впервые его использовала американская журналистка Энн Эвинг в 1964 году.

Какие бывают виды чёрных дыр и как они образуются?

В астрофизике выделяют три основных типа чёрных дыр:

  • “Звёздные” чёрные дыры. Они образуются из ядер самых массивных звёзд в самом конце их жизни. 
  • “Сверхмассивные” чёрные дыры. Наблюдать их можно в центрах галактик. Эти объекты значительно увеличили свою массу за время своей жизни. Некоторые из них могут весить несколько миллиардов масс Солнца.
  • Первичные чёрные дыры – это гипотетический вид чёрных дыр, которые возникли в самом начале формирования Вселенной. Они могут быть самыми разными – как очень лёгкими, так и сверхмассивными. Несмотря на то что существование первичных чёрных дыр ещё не подтверждено, все космологические теории предсказывают существование таких объектов.

Как образуются чёрные дыры? 

С точки зрения астрофизики чёрная дыра представляет собой один из вариантов конечной стадии эволюции звезды. В конце жизни звезды все термоядерные процессы прекращаются, происходит коллапс массивной звезды – её ядро схлопывается в чёрную дыру. Так образуется центр чёрной дыры – сингулярность, в которой вещество сжимается до очень больших плотностей. 

Что касается “сверхмассивных” чёрных дыр, то они появились или в результате коллапса ядер первых, очень массивных звёзд, или в результате коллапса больших облаков межзвёздного газа. Если при этом они попали в центр формирующейся галактики, то могли притягивать и поглощать газ из окружающего пространства, тем самым увеличивая свою массу. 

Как выглядит чёрная дыра?

Представим, что у вас есть звездолёт и вы пролетаете мимо чёрной дыры. Всё, что вы увидите, – это более-менее шарообразную тёмную область, из которой не выходит ничего, даже свет. Вокруг вы сможете наблюдать красивые “миражи”, связанные с сильным искривлением пространства-времени этой чёрной дырой. Эта видимая граница вокруг чёрной дыры – горизонт событий. Его нельзя пощупать, это не поверхность, а некая область пространства вокруг. Внутри же чёрной дыры гравитация одержала полную и безоговорочную победу. Сингулярность может быть как центральной (вещество сосредоточено в центре сферы в виде шарика), так и кольцевой (в виде колечка, лежащего в плоскости экватора чёрной дыры). Это зависит от того, вращается ли чёрная дыра или нет. Чем быстрее она вращается, тем дальше кольцо отходит от центра сферы.

Сверхмассивная чёрная дыра в центре галактики М 87
European Southern Observatory / EHT


Станет ли Солнце когда-нибудь чёрной дырой?

Чтобы звезда превратилась в чёрную дыру, она должна быть достаточно массивной. У нашего Солнца нет шансов превратиться в чёрную дыру. 

Что будет, если провалиться в чёрную дыру?

Самое главное – выбрать “правильную”. Если вы попадёте в “звёздную” чёрную дыру, то ещё на подлёте вас начнёт вытягивать в спагетти. Но если человека вытягивать в макаронину, он в неё не превратится – его просто разорвёт. Поэтому разрушение таких неплотных объектов, как человек, может произойти ещё до попадания непосредственно в сингулярность. 

А вот если вы попадёте в “сверхмассивную” дыру, то пересечёте горизонт событий. Даже если вы от страха закроете глаза, то не заметите момента его прохождения. Попав под горизонт событий, вы неумолимо будете падать в сингулярность, и в конце концов приливные силы начнут вас разрывать. Даже если вы Железный человек или Супермен, то при попадании в сингулярность вы всё равно будете разрушены, поскольку это область сверхвысокой плотности. 

А что происходит со временем?

Как известно из научных исследований, гравитация влияет на ход времени. Чем в более сильном гравитационном поле мы находимся, тем больше этот эффект. Соответственно, вблизи чёрных дыр эффект достигает максимальной величины. Допустим, некий объект падает в чёрную дыру, а мы наблюдаем это издалека. Поначалу мы будем видеть, как объект падает всё быстрее и быстрее – как ему и полагается. Но с приближением к чёрной дыре мы будем видеть, как он замедляется. Если у нас есть бесконечно чувствительный телескоп, то мы всегда будем видеть этот объект. Представьте, что падают часы, и мы видим, как бежит стрелка. И мы сравниваем это с копией точно таких же часов, которые стоят у нас. И мы будем наблюдать, как стрелка падающих часов бежит всё медленнее, а при приближении к горизонту замирает. Если мы падаем вместе с часами, то этот эффект никак не заметим. А вот при попадании под горизонт ситуация становится ещё интереснее.

Самая далёкая сверхмассивная чёрная дыра из когда-либо обнаруженных
NASA/Carnegie Institution for Science / Robin Dienel


Что будет, если две чёрные дыры столкнутся?

При слиянии двух чёрных дыр всегда образуется чёрная дыра. Она всегда будет массивнее, чем две предыдущие. Но тут надо отметить две интересные вещи. Допустим, существует двойная система, в которой одна чёрная дыра в 10 раз массивнее Солнца, а другая – в 20 раз массивнее Солнца. Казалось бы, при слиянии новая чёрная дыра будет в 30 солнечных масс. Но это не так: она будет меньше. Это происходит за счёт того, что при слиянии испускается масса в виде гравитационных волн. И энергия этих гравитационных волн считается по известной всем со школьной скамьи формуле E = mc².

Кроме того, представим, что мы наблюдаем постепенное сближение двух чёрных дыр. Пока ничего интересного не происходит, поэтому мы посчитали, через сколько нам нужно будет повернуться, чтобы увидеть результат слияния, и отвлеклись на другие дела. Но мы немного замешкались, выглянули в окно звездолёта чуть позже... и не увидели ничего – пусто. Начинаем смотреть по сторонам и видим – вон она, есть чёрная дыра, но она летит. И хорошо, если в другую сторону, а не на вас. Дело в том, что, когда чёрные дыры разные по массе, гравитационные волны не всегда испускаются симметрично, в результате чего чёрные дыры могут приобретать очень большую скорость – сотни километров в секунду. Этого может хватить, чтобы чёрная дыра вылетела из галактики. И это одна из причин, почему пространство между галактиками должно быть заполнено чёрными дырами, которые там не рождаются.

Как открывали чёрные дыры? Изменилось ли что-то с тех пор?

Чёрные дыры открыть трудно, астрономы в основном видят излучение вещества вокруг них. Первыми кандидатами в чёрные дыры были чёрные дыры “звёздных” масс в двойных системах: вещество с оставшейся звезды перетекает на чёрную дыру, закручивается и образует диск. И этот диск испускает излучение. Также в центре галактик вещество может течь в сверхмассивную чёрную дыру. И когда были открыты квазары (объект очень высокой светимости, один из самых мощных источников радиоизлучения. – Прим. ред.), то очень быстро астрофизики предположили, что эти объекты могут быть массивными чёрными дырами в центре галактик. 

С тех пор у нас появилось как минимум два новых способа обнаружения чёрных дыр, и они связаны с гравитационными эффектами. Первый – это регистрация гравитационных волн при слиянии чёрных дыр. Второй – гравитационное линзирование. Если мы наблюдаем какую-нибудь далёкую звезду, и между нами пролетает чёрная дыра, то свет звезды будет проходить через искривлённое чёрной дырой пространство. В таком случае чёрная дыра работает как гравитационная линза – она собирает свет, и мы видим, как звезда становится всё ярче и ярче, а потом её свет вновь становится слабее. Такой способ открытия чёрных дыр сейчас активно используется.

Схема NASA, объясняющая эффект линзы
Getty


Если чёрные дыры – чёрные и не выпускают свет, то как учёные изучают их?

Астрономы изучают то, что происходит вокруг чёрных дыр. Мы можем наблюдать излучение вещества, которое находится в окрестностях этих объектов. Например: чёрная дыра находится в центре галактики, в неё течёт газ, который закручивается вокруг чёрной дыры. Именно излучение этого газа мы наблюдаем. Изучая его, мы можем понять, что в центре находится объект, очень похожий на чёрную дыру. Массу чёрной дыры можно определить по вращению звёзд вокруг такого объекта. С помощью специальных антенн мы также регистрируем гравитационные волны от слияния двух чёрных дыр. Такое происходит, когда две чёрные дыры вращаются вокруг одного объекта, сближаются и в конце концов сливаются. В результате снаружи возникают гравитационные волны, которые распространяются в разные стороны и доходят до нас. Все астрономические данные касаются поведения материи снаружи от чёрных дыр. Что происходит вблизи горизонта событий и тем более внутри чёрной дыры, мы из наблюдений узнать пока не можем. С одной стороны, нет окончательного стопроцентного доказательства того, что чёрная дыра – это на самом деле чёрная дыра, но с другой – мы используем наши теории для описания условий внутри и вблизи чёрных дыр. 

Интересные факты о чёрных дырах

Специалисты лаборатории реактивного движения NASA (Jet Propulsion Laboratory, JPL) привели интересные факты о данных объектах Вселенной. Вот некоторые из них:

  • Температура вещества вокруг чёрной дыры может достигать миллионов градусов.
  • Чтобы стать чёрной дырой, звезда должна быть хотя бы раз в 15–20 массивнее нашего Солнца. 
  • Предполагается, что в центре нашей галактики Млечный Путь находится сверхмассивная чёрная дыра Стрелец А*. Расстояние до неё составляет 26 000 световых лет. 
  • В 2019 году международной группе учёных удалось впервые сфотографировать тень чёрной дыры на фоне светящегося диска из перегретого газа и пыли. Чтобы получить изображение, учёные использовали восемь разных телескопов из разных стран. Объединить полученные данные в единое изображение помог алгоритм, разработанный американкой Кэти Боуман.
  • В 2020 году группе учёных была присуждена Нобелевская премия по физике за теоретическое обоснование существования чёрных дыр и за открытие таковой в центре нашей галактики.

Как отмечают в NASA, порой гравитация чёрной дыры может быть достаточно сильной, чтобы вытянуть газ из верхнего слоя звезды и образовать вокруг себя так называемый аккреционный диск. Когда газ из аккреционного диска по спирали попадает в чёрную дыру, он нагревается до очень высоких температур и испускает рентгеновский свет во всех направлениях.