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

«Одноклеточная биология» «Одноклеточная биология»

Все живые существа состоят из клеток, и клетки эти — разные

Наука и жизнь

Об Олеге Ефремове можно рассказывать бесконечно

Караван историй
Звенигород: окно в небо Звенигород: окно в небо

Затерянный мир науки среди коттеджных посёлков и таунхаусов

Наука и жизнь
Зачем разрешать ребенку баловаться: 5 советов для родителей и воспитателей Зачем разрешать ребенку баловаться: 5 советов для родителей и воспитателей

Почему детская шалость — это абсолютно нормально

Psychologies
Властелин Европы посреди Атлантики Властелин Европы посреди Атлантики

Святая Елена стала местом смерти Наполеона и рождения наполеоновской легенды

Дилетант
Археологи нашли в Гнездове подтверждение письменных свидетельств о погребальном обряде русов Археологи нашли в Гнездове подтверждение письменных свидетельств о погребальном обряде русов

Археологи сообщили о первых результатах раскопок в Гнездове

N+1
Может ли цвет настроения стать зелёным? Может ли цвет настроения стать зелёным?

К вопросу о развитии цветообозначений в разных языках

Наука и жизнь
Нина Хрущёва vs Джеки Кеннеди Нина Хрущёва vs Джеки Кеннеди

Встречались не только президенты, встречались и их жёны

Дилетант
100 самых сексуальных женщин страны 100 самых сексуальных женщин страны

Сто самых красивых женщин страны заждались тебя

Maxim
Что такое циркулярная ссора Что такое циркулярная ссора

Иногда ссора происходит по циркулярному принципу. Что это значит?

Psychologies
Петен, Пол Пот и король Сианук Петен, Пол Пот и король Сианук

Сложное царствование короля Камбоджи Сианука

Дилетант
Уроки русского: для каких нужд помещикам нужны были сенные девушки и при чем тут сено? Уроки русского: для каких нужд помещикам нужны были сенные девушки и при чем тут сено?

Особой кастой в поместье считались сенные девки, чья жизнь была беспросветна

ТехИнсайдер
Стекло под ногами, или как дневной свет попал в подвал Стекло под ногами, или как дневной свет попал в подвал

Город — словно остров в океане времени

Наука и жизнь
Время вспять: можно ли перевести стрелки биологических часов назад и замедлить старение Время вспять: можно ли перевести стрелки биологических часов назад и замедлить старение

Об интересных научных открытиях из книги «Загадка нестареющей медузы»

ТехИнсайдер
Спящий режим Спящий режим

Мы расскажем вам всё, что нужно знать про новые технологии, чтобы лучше спать

Men Today
Трейлеры для путешествий, которые круче твоей квартиры Трейлеры для путешествий, которые круче твоей квартиры

Спору нет, жилой трейлер — штука в меру бессмысленная. Но совершенно шикарная

Maxim
Халтура как образ жизни Халтура как образ жизни

Как советский андерграунд зарабатывал на государственной службе

Weekend
Дмитрий Нагиев: Дмитрий Нагиев:

У нас твоя карьера от таланта не зависит

Караван историй
МОТ МОТ

МОТ рассказал о том, кто в России пишет хорошую музыку

ЖАРА Magazine
Творческая биография режиссера Микиты Ильинчика Творческая биография режиссера Микиты Ильинчика

Разбираемся в творческой биографии 27-летнего творца Микиты Ильинчика

СНОБ
Это слишком: из-за какой черты Ленин требовал сместить Сталина с поста генсека Это слишком: из-за какой черты Ленин требовал сместить Сталина с поста генсека

О чем написал Владимир Ленин в своих последних заметках?

VOICE
Овощ что надо! Овощ что надо!

Разнообразие вкусов и текстур делает овощи фаворитами на профессиональных кухнях

Bones
Ученые идентифицировали парфянскую крепость и раскопали в ней казармы и святилище Ученые идентифицировали парфянскую крепость и раскопали в ней казармы и святилище

Руины Рабана-Меркули на склоне горы представляют собой остатки города Натуния

N+1
Судебная перспектива Судебная перспектива

История постсоветского искусства в преследованиях и приговорах суда

Weekend
Чай для стройности Чай для стройности

Быстрый способ сбросить вес или опасность для здоровья?

Лиза
«Чувств к ней у меня не было»: первый бойфренд Жанны Агузаровой сделал признание «Чувств к ней у меня не было»: первый бойфренд Жанны Агузаровой сделал признание

Возлюбленный Жанны Агузаровой рассказал, какими были его отношения с певицей

VOICE
Как одна смертоносная молекула стала причиной научных открытий и преступлений XX века Как одна смертоносная молекула стала причиной научных открытий и преступлений XX века

О происхождении современного синтетического пигмента — берлинской лазури

Forbes
Во все уши: как научиться слушать и слышать людей и стать хорошим собеседником? Несколько простых советов Во все уши: как научиться слушать и слышать людей и стать хорошим собеседником? Несколько простых советов

Как научиться вовлекаться в диалог и перестать обесценивать собеседника

Правила жизни
В ожидании гостей В ожидании гостей

Современный интерьер, воплощающий интересный эстетический микс

Идеи Вашего Дома
Взрослые проблемы бывших детей: 3 сезон популярного сериала «Трудные подростки» Взрослые проблемы бывших детей: 3 сезон популярного сериала «Трудные подростки»

Что произошло в 3 сезоне «Трудных подростков», и когда ждать продолжение сериала

VOICE
Открыть в приложении