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

Сталин и генералы Сталин и генералы

В отношениях с красными генералами Сталин сочетал мстительность и утилитарность

Дилетант
Одержимая пластическими операциями 81-летняя Одержимая пластическими операциями 81-летняя

Светскую львицу Джослин Вильденштейн называют "невестой Франкенштейна"

VOICE
Из жизни галактик Из жизни галактик

Во Вселенной существует множество галактик, и каждая из них особенная

Наука и жизнь
Технологии минувшей эпохи: как работали пейджеры, дисководы и dial-up-модемы Технологии минувшей эпохи: как работали пейджеры, дисководы и dial-up-модемы

Вспоминаем ушедшие технологии, оставившие неизгладимый след в наших сердцах

CHIP
Звенигород: окно в небо Звенигород: окно в небо

Затерянный мир науки среди коттеджных посёлков и таунхаусов

Наука и жизнь
Семья, которая «владеет» Европой: чем живет клан Арно - родственники Натальи Водяновой Семья, которая «владеет» Европой: чем живет клан Арно - родственники Натальи Водяновой

Странно, что никто не снял фильм о Золушке с Натальей Водяновой в главной роли

VOICE
Может ли цвет настроения стать зелёным? Может ли цвет настроения стать зелёным?

К вопросу о развитии цветообозначений в разных языках

Наука и жизнь
Ранний климакс Ранний климакс

Когда может начаться ранний климакс и кто в группе риска?

Лиза
Похороны по-большевистски Похороны по-большевистски

Личный архив, коллекция, музей-квартира, реконструкция…

Дилетант
Куратор выставки «Брат Иван» — о личности и коллекции Ивана Морозова Куратор выставки «Брат Иван» — о личности и коллекции Ивана Морозова

Алексей Петухов рассказывает, какие характеры были у русских коллекционеров

РБК
Спрос на убийства Спрос на убийства

С середины XVI до конца XVII века в Европе произошла подлинная научная революция

Дилетант
Две мертвые женщины и лжец: как сериал «Лестница» рассказывает о реальном убийстве Две мертвые женщины и лжец: как сериал «Лестница» рассказывает о реальном убийстве

О чем «Лестница» и что за реальная история за ней стоит

Forbes
Сырная история Сырная история

Как люди научились варить сыры

Вокруг света
Да, капитан: 5 способов стать хорошим руководителем Да, капитан: 5 способов стать хорошим руководителем

Как проявить лидерские качества и получить желаемую должность

Правила жизни
«Писать невозможно, голова забита бараньими ногами»: отрывок из биографии Джейн Остен «Писать невозможно, голова забита бараньими ногами»: отрывок из биографии Джейн Остен

Отрывок из книги «Викторианки» — о последних годах жизни Джейн Остен

Forbes
Татарская лапша Татарская лапша

Любовь к национальной гастрономии — наше семейное дело

Bones
#FreeBritney: как весь мир поддержал Бритни Спирс  и помог ей освободиться от опеки отца #FreeBritney: как весь мир поддержал Бритни Спирс  и помог ей освободиться от опеки отца

13 лет Бритни Спирс жила под официальной опекой отца

VOICE
Лесные братья Лесные братья

Июль-август – время трёх лесных ягод: малины, черники и брусники

Здоровье
45 лучших сериалов современности, которые должен посмотреть каждый: выбор читателей «Правил жизни» 45 лучших сериалов современности, которые должен посмотреть каждый: выбор читателей «Правил жизни»

Супергеройские комедии, захватывающие триллеры, серьезные драмы, любимые ситкомы

Правила жизни
Как американская бюрократия уничтожила автомобиль будущего: история Tucker 48 Как американская бюрократия уничтожила автомобиль будущего: история Tucker 48

Бывают люди, у которых даже неудачные проекты выглядят вдохновляющие

Maxim
Какая самая высокая температура в известной Вселенной и можно ли ее достичь? Какая самая высокая температура в известной Вселенной и можно ли ее достичь?

Удастся ли нам нагреть на Земле вещество до самой высокой температуры?

ТехИнсайдер
Катать не перекатать: на чем можно прохватить, если велосипед уже надоел Катать не перекатать: на чем можно прохватить, если велосипед уже надоел

Что же это за джамперы и флоутборды?

ТехИнсайдер
Что делать если не нравятся овощи: лайфхаки правильного питания Что делать если не нравятся овощи: лайфхаки правильного питания

Что делать, если хочется правильно питаться, а овощи совсем не нравятся?

ТехИнсайдер
Тайный распорядок: 36 способов изменить жизнь Тайный распорядок: 36 способов изменить жизнь

Писатель Крис Гильбо рассказывает о простых действиях, которые дают результат

VC.RU
Не шашлыком единым: какие еще вкусные блюда можно приготовить на мангале? Не шашлыком единым: какие еще вкусные блюда можно приготовить на мангале?

Что еще можно приготовить на мангале, кроме шашлыка? Да почти все!

ТехИнсайдер
Ростов-папа и не только: какие города были самыми криминальными в СССР Ростов-папа и не только: какие города были самыми криминальными в СССР

Какие города СССР славились запредельным числом бандитов?

VOICE
От Врубеля до Урса Фишера: как керамика стала популярным трендом в искусстве От Врубеля до Урса Фишера: как керамика стала популярным трендом в искусстве

С чего началось увлечение аудитории и коллекционеров керамикой

Forbes
Не расстаться раньше времени: Ольга Примаченко о 5 стадиях отношений Не расстаться раньше времени: Ольга Примаченко о 5 стадиях отношений

Бывает, что отношения заходят в тупик

Psychologies
Как развить креативность: 14 любопытных способов Как развить креативность: 14 любопытных способов

Эти приемы могут повысить ваши творческие способности

Psychologies
Первая вдова СССР Первая вдова СССР

Крупская занималась вопросами коммунистического воспитания и образования

Дилетант
Открыть в приложении