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

Вселенная, пульсирующая в чёрной дыре Вселенная, пульсирующая в чёрной дыре

Происхождение Вселенной всегда волновало людей

Наука и жизнь
Китайская компания SMIC разработала чипы по современной 7-нм технологии Китайская компания SMIC разработала чипы по современной 7-нм технологии

Казалось, что Китаю не удастся "опуститься" ниже 10-нанометровой технологии

ТехИнсайдер
«Король-солнце»: блеск и затмение абсолютизма «Король-солнце»: блеск и затмение абсолютизма

Людовик XIV превратил Францию в супердержаву, но страна стала клониться к упадку

Дилетант
«Восстание феникса»: как Эван Рэйчел Вуд справилась с абьюзом и занялась правозащитой «Восстание феникса»: как Эван Рэйчел Вуд справилась с абьюзом и занялась правозащитой

Как Эван Рэйчел Вуд борется против домашнего насилия

Forbes
6 признаков глупого человека 6 признаков глупого человека

Как понять, кого нужно избегать? Да и нужно ли на самом деле?

Psychologies
Дать слово преступникам: как репрессии в Индонезии влияют на общество спустя полвека Дать слово преступникам: как репрессии в Индонезии влияют на общество спустя полвека

Как в Индонезии осмысляют геноцид и почему реальные события искажаются

Forbes
Может ли цвет настроения стать зелёным? Может ли цвет настроения стать зелёным?

К вопросу о развитии цветообозначений в разных языках

Наука и жизнь
Моль, тараканы и клопы, вы сами уйдете, или вам помочь? Лучшие способы борьбы с насекомыми в квартире Моль, тараканы и клопы, вы сами уйдете, или вам помочь? Лучшие способы борьбы с насекомыми в квартире

У нас есть действенные методы борьбы не только с тараканами, но и с клопом

ТехИнсайдер
«В эти дни в осаждённом городе, под бомбами…» «В эти дни в осаждённом городе, под бомбами…»

Два уникальных документа, связанных с Шостаковичем и его Седьмой симфонией

Дилетант
Черный список: 5 модных ошибок, которые чаще всего совершают женщины 40+ Черный список: 5 модных ошибок, которые чаще всего совершают женщины 40+

Между прилагательными «моложавая» и «молодящаяся» пролегает целая пропасть?

VOICE
Кубик Осипова Кубик Осипова

Самая ожидаемая и самая крутая головоломка десятилетия

Популярная механика
Дочери Глюкозы, Славы и других певиц, которые не смогли повторить успех матерей Дочери Глюкозы, Славы и других певиц, которые не смогли повторить успех матерей

Дочки российских певиц, которые решили начать сольную карьеру

VOICE
«Не скользнуть в бездну» «Не скользнуть в бездну»

Судьба атамана Бориса Анненкова как зеркало Гражданской войны

Дилетант
Запах паразитического грибка заставил самцов мух спариваться с мертвыми самками Запах паразитического грибка заставил самцов мух спариваться с мертвыми самками

Грибок Entomophthora muscae заражает самцов комнатных мух

N+1
Королева марсианского рок-н-ролла: Жанне Агузаровой — 60 лет Королева марсианского рок-н-ролла: Жанне Агузаровой — 60 лет

Жанна Агузарова — девушка из Сибири, ставшая звездой рок-сцены

Правила жизни
Жертвоприношения и каннибализм: настоящая сказка о Золушке Жертвоприношения и каннибализм: настоящая сказка о Золушке

Похожа ли настоящая история Золушки на сказку?

VOICE
«Золото Колчака». Что случилось с деньгами, которые Белое движение получило за продажу российского золота «Золото Колчака». Что случилось с деньгами, которые Белое движение получило за продажу российского золота

В 1918 г. в руки Белого движения попала часть золотого запаса Российской империи

N+1
5 самых опасных мифов о ЗОЖ: ты никогда не похудеешь, если веришь в них! 5 самых опасных мифов о ЗОЖ: ты никогда не похудеешь, если веришь в них!

Есть принципы здорового образа жизни, которые все слепо следуют, а зря

VOICE
Дивование Дивование

Выставка современных художниц в Каргополе

Собака.ru
Метод Мари Кондо: 5 простых советов по уборке дома Метод Мари Кондо: 5 простых советов по уборке дома

Полезные советы Мари Кондо, которые научили людей правильно наводить порядок

Psychologies
История русской княгини Марии Тенишевой, которая дружила с Репиным и Тургеневым и открывала культурные центры История русской княгини Марии Тенишевой, которая дружила с Репиным и Тургеневым и открывала культурные центры

Русская княгиня Мария Тенишева: меценат, коллекционер, художник

Правила жизни
Хоть стой, хоть падай: вся правда про унитаз, где в доме действительно грязно, и чем грозит частое мытье рук Хоть стой, хоть падай: вся правда про унитаз, где в доме действительно грязно, и чем грозит частое мытье рук

Кто же победит в битве за звание самого грязного места в доме?

ТехИнсайдер
Как 40 миллионов советских женщин лишились маленького черного платья Как 40 миллионов советских женщин лишились маленького черного платья

Почему девушкам в СССР так и не пришлось носить элегантные платья от Скиапарелли

VOICE
Никуда не денется: 7 способов Никуда не денется: 7 способов

От некоторых женщин мужчины не уходят. В чем их секрет?

VOICE
Возможна ли копия автопортрета? Отрывок из книги «Предприятие Рембрандта» Возможна ли копия автопортрета? Отрывок из книги «Предприятие Рембрандта»

Отрывок из книги Светланы Алперс б отношениях Рембрандта с миром коммерции

РБК
Голая правда: путь к себе через нудистский пляж Голая правда: путь к себе через нудистский пляж

Как наша телесная обнаженность влияет на наше самоощущение?

Psychologies
«Уходят все»: Ирина Маслова о положении секс-работников в России и шоу «Рабы любви» «Уходят все»: Ирина Маслова о положении секс-работников в России и шоу «Рабы любви»

Ирина Маслова — почему важно вывести секс-работников в правовое поле

Forbes
Устойчивые к антибиотикам штаммы брюшного тифа распространяются из Южной Азии Устойчивые к антибиотикам штаммы брюшного тифа распространяются из Южной Азии

Брюшной тиф снова представляется опасность и может вызвать эпидемии

ТехИнсайдер
Как не нужно заниматься фитнесом: 10 ошибок, которые делает каждый второй во время тренировок Как не нужно заниматься фитнесом: 10 ошибок, которые делает каждый второй во время тренировок

Эти ошибки популярны среди тех, кто только начинает заниматься спортом

ТехИнсайдер
6 моментов в сериале «Оби-Ван Кеноби», которые упустили 99% зрителей 6 моментов в сериале «Оби-Ван Кеноби», которые упустили 99% зрителей

Лишь только настоящие фанаты «Звездных войн» способны их заметить!

Maxim
Открыть в приложении