Чёрные дыры – самое смелое предсказание общей теории относительности Эйнштейна

Наука и жизньНаука

Портрет на фоне Галактики

Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов

Источник: ESO/José Francisco Salgado (josefrancisco.org), EHT Collaboration

Чёрные дыры, пожалуй, самое смелое и фантастическое предсказание общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна, появившейся на свет в 1915 году. Гравитация этих космических объектов настолько велика, что не позволяет «убежать» от них даже свету и приводит к возникновению целого ряда необычных явлений, например, сингулярности и горизонта событий.

Долгое время физики исследовали чёрные дыры просто как математическое следствие ОТО, а не как реально существующие объекты. Ситуация изменилась с открытием в конце 1950-х годов квазаров, компактных радиоисточников, обладающих чудовищной мощностью излучения. Это излучение своим давлением неизбежно должно было разорвать космическое тело, внутри которого оно родилось, если только это тело не обладало огромной гравитацией, удерживающей вещество. Так чёрные дыры получили право на реальное существование — как объяснение активных ядер галактик. Уже к концу 1960-х годов астрономы пришли к выводу, что внутри большинства крупных галактик находятся сверхмассивные чёрные дыры.

Здесь следует пояснить, что теория выделяет два вида этих объектов. Чёрные дыры звёздной массы возникают в конце эволюции массивных звёзд, после выгорания в них термоядерного «топлива» и гравитационного коллапса — «схлопывания». Чёрная дыра появляется, когда размер тела становится меньше так называемого гравитационного радиуса, зависящего от его массы. Сверхмассивные чёрные дыры формируются за счёт стягивания к себе окружающего космического вещества. Именно последние, по мнению астрономов, должны образовываться в центрах галактик.

В 1971 году британские астрофизики Дональд Линден-Белл и Мартин Рис обосновали наличие сверхмассивной чёрной дыры и в центре нашей Галактики. Вскоре там был обнаружен яркий радиоисточник, ставший кандидатом на эту роль. Он получил название Sgr A* (Sgr — сокращение от латинского названия созвездия Стрельца, в котором для земного наблюдателя находится центр Галактики). Расстояние до него около 27 000 св. лет. И хотя уже с 1980-х годов астрофизики не сомневались в его природе, экспериментального подтверждения пришлось ждать почти полвека. Исследуя движения и спектры большого количества звёзд вблизи Sgr A*, астрономы доказали, что там действительно находится чёрная дыра с массой свыше 4 миллионов солнечных. Эта работа заслуженно получила Нобелевскую премию по физике за 2020 год (см. «Долгожданное признание чёрных дыр», «Наука и жизнь» № 11, 2020 г.).

Однако лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. Так что главным аргументом в пользу реальности чёрной дыры стало получение её изображения в 2019 году. Правда, сделано оно было не для Млечного Пути, а для далёкой галактики M 87, расположенной на расстоянии около 54 млн св. лет. На первый взгляд это может показаться странным, но всё дело в том, что, несмотря на близость, центр нашей Галактики скрыт от земных наблюдателей гигантскими пылевыми облаками, сильно затрудняющими исследования. А вот M 87 повёрнута так, что сверхмассивная дыра (M 87*) в её центре видна просто замечательно. Кроме того, M 87 значительно больше Млечного Пути и, соответственно, её сверхмассивная чёрная дыра — одна из самых крупных среди известных, она примерно в 1500 раз массивнее Sgr A*, так что для земных наблюдателей их угловой размер оказывается довольно близким. M 87* и Sgr A* имеют самые большие угловые размеры среди всех известных чёрных дыр, поэтому астрономы и сделали их первоочередными целями для исследования. Успех с M 87* позволил заняться получением изображения и Sgr A*.

Сами чёрные дыры, разумеется, увидеть нельзя, ведь излучение от них не уходит. Но благодаря своей чудовищной гравитации они стягивают к себе вещество из окружающего пространства, которое закручивается вокруг них, нагреваясь из-за трения до миллиардов градусов и излучая. В результате астрономы могут наблюдать светящееся кольцо вокруг горизонта событий, окружающее тёмную центральную область, называемую тенью. Подробно о том, что именно наблюдают астрономы, можно прочитать в статье «Изображение чёрной дыры: что на самом деле получили астрономы» (см. «Наука и жизнь» № 5, 2019 г.). Характерные особенности такого изображения дают много ценной информации об этих объектах.

Изображение Sgr A*, полученное усреднением тысяч изображений. Внизу — группировка изображений на основе схожих признаков. Гистограммы показывают относительное количество изображений в каждой группе. Высота столбцов указывает вклад каждой группы в усреднённое изображение. Источникh: The EHT Collaboration et al. еt al 2022 ApJL 930 L12

Сложность получения детального изображения чёрной дыры связана с её небольшим угловым размером. Так, угловой размер Sgr A* составляет около 52 угловых микросекунд, и наблюдение за ним с Земли эквивалентно разглядыванию крупного апельсина (диаметром около 10 см) на Луне. Линейный диаметр чёрной дыры при этом получается порядка 60 миллионов километров. Так что, будучи помещённой на место Солнца, она бы уместилась в пределах орбиты Меркурия, перигелий (ближайшая к Солнцу точка) которой составляет 46 миллионов километров.

Способность увидеть детали изображения в телескопе характеризуется его угловым разрешением — минимальным углом между объектами, которые он может различить. Угловое разрешение зависит от отношения используемой длины волны к диаметру его зеркала. Для наблюдения объекта, детали которого меньше 50 угловых микросекунд, на длине волны около 1 мм потребуется зеркало диаметром 10 000 км и более, что сравнимо с размером Земли (около 13 000 км).

Сплошное зеркало такого размера создать невозможно, однако астрономы нашли выход в использовании так называемой интерферометрии со сверхдлинной базой. В этом случае сигнал от космического источника принимается несколькими телескопами, расположенными в разных местах на Земле, а затем специальным образом обрабатывается для выбранных пар телескопов (расстояние между ними и называется базой). В результате система телескопов работает как один телескоп с размером, равным максимальному расстоянию между ними. Это позволяет получить необходимое разрешение. Такие наблюдения за Sgr A* велись с 1990-х годов, но ощутимый прогресс наступил с запуском в 2009 году проекта «Телескоп горизонта событий» (Event Horizon Telescope, EHT), который объединил телескопы на нескольких континентах и большое число астрономов из разных стран мира. Именно EHT, имитируя телескоп размером с планету Земля, смог получить в 2019 году упомянутое выше изображение M 87*.

В обычной интерферометрии телескопы удалены друг от друга на небольшое расстояние, что позволяет соединить их с обрабатывающим центром какой-либо линией передачи, например, кабелем или волноводом. В случае же интерферометрии со сверхдлинной базой, когда телескопы разнесены на тысячи километров, это становится невозможным. В EHT данные каждого телескопа преобразуются в цифровой формат и сохраняются на жёстких дисках вместе с сигналами времени от чрезвычайно точных атомных часов. Затем жёсткие диски доставляются самолётами в обсерваторию Хейстек Массачусетского технологического института (США) и в Институт радиоастрономии Общества Макса Планка (Германия), где данные совместно анализируются на суперкомпьютерах. Так, для Sgr A* восемь телескопов получили 3,5 петабайта (1 петабайт = 1015 байт) данных, которые обрабатывались со скоростью 4 гигабайта в секунду. Чтобы оценить этот объём информации, вспомним, что байтом в информатике кодируется один символ. Тогда книга в 500 страниц имеет объём около 1 мегабайта. Таким образом, данные, собранные EHT, составили бы библиотеку из 3,5 миллиарда толстых томов.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Цикличность большого взрыва Цикличность большого взрыва

Каков физический механизм Большого взрыва?

Наука и жизнь
Шуба на заказ, Шуба на заказ,

Как в «Нулевом пациенте» создавался аутентичный стиль конца 1980-х

Правила жизни
Охота за Эйхманом Охота за Эйхманом

Адольф Эйхман вошёл в историю как «архитектор холокоста»

Дилетант
Зеркальные миры: почему человеку опасно контактировать с антиматерией Зеркальные миры: почему человеку опасно контактировать с антиматерией

Теоретически могут существовать целые антигалактики, заполненные антизвездами

ТехИнсайдер
Может ли цвет настроения стать зелёным? Может ли цвет настроения стать зелёным?

К вопросу о развитии цветообозначений в разных языках

Наука и жизнь
Ученые впервые обучили ИИ мыслить на уровне новорожденного ребенка Ученые впервые обучили ИИ мыслить на уровне новорожденного ребенка

Алгоритм PLATO научился выстраивать логические цепочки на уровне младенца

ТехИнсайдер
Пенится квас в ковше Пенится квас в ковше

Квас — одно из древнейших русских кулинарных изобретений

Наука и жизнь
Игры теней Игры теней

Григорий Козинцев и Евгений Шварц как исследователи власти

Weekend
Музей и революция Музей и революция

1917 год кардинальным образом изменил жизнь российского государства

Дилетант
Лори не запишут в Черную книгу: как жители крошечного острова пытаются спасти вымирающих попугаев Лори не запишут в Черную книгу: как жители крошечного острова пытаются спасти вымирающих попугаев

Попугаи лори сегодня находятся на грани исчезновения

ТехИнсайдер
Дядька императора Дядька императора

В Российской империи воспитание царских отпрысков было делом политическим

Дилетант
Шифры, хакеры, шпионы: пока все разбираются с криптовалютой, редакция «Правил жизни» изучает историю криптографии Шифры, хакеры, шпионы: пока все разбираются с криптовалютой, редакция «Правил жизни» изучает историю криптографии

Музей криптографии: самый древний шифр, популярные пароли и худший майнер в мире

Правила жизни
Никита Демидов, патриарх оборонзаказа Никита Демидов, патриарх оборонзаказа

Никита Демидов — настоящий патриарх отечественной тяжёлой промышленности

Дилетант
Законы социальных систем: что общего у семьи и рабочего коллектива? Законы социальных систем: что общего у семьи и рабочего коллектива?

Что объединяет новоиспеченного мужа и только что принятого на работу сотрудника?

Psychologies
Темные времена: как и когда загар вошел в моду Темные времена: как и когда загар вошел в моду

Слова «отдохнул» и «загорел» едва ли не синонимы, но так было далеко не всегда

Правила жизни
Лазейки в сознание Лазейки в сознание

Как мы ощущаем тот или иной аромат?

Bones
Империя и летаргия Империя и летаргия

Памяти Андрея Филиппова

Weekend
Перейти Зону Перейти Зону

«Сталкер» как пример отношений художника и власти

Weekend
Дом под снос Дом под снос

Некоторые из самых интересных архитектурных проектов Японии долго не проживут

Robb Report
Ресторатор Уиллиам Ламберти — о новом старте после 50 и семейных рецептах Ресторатор Уиллиам Ламберти — о новом старте после 50 и семейных рецептах

Ресторатор Уиллиам Ламберти — как добиться успеха, несмотря на закрытия проектов

РБК
Результат любви несовместимых пород: 5 собак-метисов, которые рассмешат вас своей внешностью Результат любви несовместимых пород: 5 собак-метисов, которые рассмешат вас своей внешностью

Собаки, которые характером и красотой не уступают чистокровным собратьям

ТехИнсайдер
Может ли психотерапевт впустить клиента в свой интимный мир? Может ли психотерапевт впустить клиента в свой интимный мир?

Что делать психотерапевту, если клиент спрашивает его о личной жизни?

Psychologies
Лучшие фильмы с Томом Крузом: 7 выдающихся ролей, 7 лиц одного актера Лучшие фильмы с Томом Крузом: 7 выдающихся ролей, 7 лиц одного актера

Типажи Тома Круза, в которых он представал на экране

Правила жизни
В чем разница между ядовитым и токсичным животным? В чем разница между ядовитым и токсичным животным?

Venomous и poisonous: в чем разница?

ТехИнсайдер
Не только алкоголь: продукты и напитки, которые нельзя совмещать с лекарствами Не только алкоголь: продукты и напитки, которые нельзя совмещать с лекарствами

Сыр несовместим с антидепрессантами, а обезболивающие с копченостями

Maxim
Стандарт устойчивости: что такое таксономия и какое отношение она имеет к ESG Стандарт устойчивости: что такое таксономия и какое отношение она имеет к ESG

Как работает таксономия в России и мире

Forbes
Ирина и Денис Клявер: Ирина и Денис Клявер:

Самонадеянный, самоуверенный, красивый нахал

Коллекция. Караван историй
Свой среди чужих: 5 проблем, с которыми сталкиваются иммигранты Свой среди чужих: 5 проблем, с которыми сталкиваются иммигранты

Как успешнее адаптироваться в другой стране

Psychologies
Еще ого-го: вспоминаем старые игры, которые неплохо выглядят и сегодня Еще ого-го: вспоминаем старые игры, которые неплохо выглядят и сегодня

Подборка старых игр у которых еще есть порох в пороховницах

Maxim
Сталин в резиновых сапогах и раненая собака на солдатской шинели: 8 интересных фактов о первом Параде Победы 1945 года Сталин в резиновых сапогах и раненая собака на солдатской шинели: 8 интересных фактов о первом Параде Победы 1945 года

Первый Парад Победы 1945 года открыл проливной дождь

ТехИнсайдер
Открыть в приложении