Дыры в реальности – Наука – Коммерсантъ
Анатолий Глянцев
Роджер Пенроуз
Фото: Frank Augstein, AP
Роджер Пенроуз
Фото: Frank Augstein, AP
Нобелевской премии по физике 2020 года удостоились Роджер Пенроуз из Великобритании, Райнхард Генцель из Германии и Андреа Гез из США.
Британский теоретик получит половину призовой суммы «за открытие, что образование черной дыры является надежным предсказанием общей теории относительности». Он математически доказал, что черные дыры должны возникать в обычном для космоса процессе: при взрывах сверхновых.
Генцель и Гез разделят между собой оставшуюся половину премии. Они отмечены наградой «за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей Галактики». Небесное тело, открытое лауреатами, стало первым обнаруженным в космосе объектом, который абсолютно точно является черной дырой.
Роджер Пенроуз: создать черную дыру
В начале XX века Альберт Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности (ОТО), объединившую пространство, время и гравитацию.
К сегодняшнему дню эта теория выдержала огромное количество самых разнообразных и тщательных проверок, от астрономических наблюдений до экспериментов с ходом часов, и заслуженно господствует в физике. Однако одно из самых эффектных предсказаний ОТО долго не поддавалось проверке. Речь идет о существовании черных дыр.
Черные дыры — тела с самым мощным во Вселенной тяготением. На определенном расстоянии от центра черной дыры ее гравитация так сильна, что преодолеть ее не может даже луч света. Все, что находится в пределах этого «радиуса захвата», безвозвратно падает в черную дыру.
Из уравнений ОТО следует, что черные дыры могут существовать. Но существуют ли они на самом деле? Даже сам Эйнштейн сомневался в этом.
У гения были причины для сомнений. В его время был известен единственный сценарий образования черной дыры. Он требовал, чтобы идеально сферически симметричный объект сжимался под действием собственной гравитации. Но в природе не существует объектов с идеальной симметрией, так что эта схема не могла реализоваться.
А исследовать другие варианты мешало то обстоятельство, что уравнения ОТО чрезвычайно трудно поддаются решению.
Но 1965 году, через десять лет после смерти Эйнштейна, Пенроуз опубликовал революционное исследование. Он показал, что во многих случаях необязательно знать точные решения уравнений. Новые математические методы, предложенные лауреатом, позволяют обойтись без этих решений и при этом выяснить важнейшие свойства пространства-времени. К слову, эта работа до сих пор считается важнейшим вкладом в ОТО со времен Эйнштейна.
Используя собственные математические инструменты, ученый сделал замечательный вывод. Он показал, что при определенных условиях сжаться в черную дыру могут объекты самой разной формы, а не только сферически симметричные. Тем самым Пенроуз дал зеленый свет образованию черных дыр в космосе.
И астрофизикам известен процесс, в котором эти тела должны возникать. Это вспышки сверхновых. Таким взрывом заканчивают свое существование звезды массой более десяти солнц.
После вспышки остается раскаленное ядро светила, которое стремительно сжимается под действием собственной гравитации. Как показывают расчеты, для звезд массой 10–30 солнц ядро должно превратиться в нейтронную звезду, а для более массивных — в черную дыру. Масса этой последней составит несколько солнечных. Такие объекты вполне логично называются черными дырами звездной массы.
Согласно теоретическим моделям, на тысячу светил в Галактике должна приходиться одна черная дыра звездной массы. Поэтому в Млечном Пути их должны быть сотни миллионов. Правда, подобные тела сложно обнаружить, а обнаружив — доказать, что это именно черная дыра, а не, например, нейтронная звезда. Но наблюдателям известен целый ряд объектов, которые почти наверняка являются черными дырами звездной массы.
Окончательно реальность такого рода черных дыр была установлена в 2015 году. Тогда детекторы впервые уловили гравитационные волны, порожденные столкновением и слиянием черных дыр звездной массы. С тех пор ученые неоднократно фиксировали подобные сигналы.
За открытие этих волн, ставшее еще одним блестящим подтверждением предсказаний ОТО, была присуждена Нобелевская премия по физике 2017 года.
Райнхард Генцель и Андреа Гез: заглянуть Галактике в сердце
Райнхард Генцель
Фото: Reuters
Райнхард Генцель
Фото: Reuters
Однако первым небесным телом, безоговорочно признанным черной дырой, стал компактный объект в центре Млечного Пути. Его природу установили две независимые научные группы, одна из которых возглавлялась Генцелем, а другая — Гез.
То, что в центре Галактики находится нечто интересное, было известно давно. Еще в 1930-х годах ядро Млечного Пути стало первым космическим объектом, радиоизлучение которого приняли и распознали на Земле. Дальнейшие наблюдения показали, что в центре Галактики находится компактный радиоисточник Стрелец А*. Когда в строй вступили первые инфракрасные и рентгеновские телескопы, выяснилось, что Стрелец А* ярко сияет и в этих диапазонах.
Андреа Гез
Фото: Reuters
Андреа Гез
Фото: Reuters
Но что представляет собой этот объект? Астрономы подозревали, что это сверхмассивная черная дыра, окруженная плотным облаком пыли и газа. Падающее на «хищницу» вещество и испускает излучение, которое принимается земными телескопами. Но в пользу этой интригующей версии не хватало доказательств.
В начале 1990-х группы Генцеля и Гез начали наблюдения за звездами, обращающимися вокруг Стрельца А*. Ученые стремились нанести орбиты этих звезд на карту, чтобы из закона всемирного тяготения вывести массу и максимальный размер центрального объекта.
Обе команды работали с одними из лучших телескопов в мире. Группа Генцеля — с инструментами Европейской южной обсерватории в Чили, а Гез и ее сотрудники — с телескопами Обсерватории Кека на Гавайях. Астрономы вели наблюдения в инфракрасных лучах, чтобы уменьшить влияние закрывающей центр Галактики пыли.
Тем не менее обеим командам понадобились многие годы кропотливых наблюдений и новые методы обработки данных, чтобы достигнуть своей цели.
В 2008 году группы Генцеля и Гез практически одновременно опубликовали долгожданные результаты. Обе команды показали, что объект, вокруг которого обращаются звезды, имеет массу в четыре миллиона солнц. При этом по размерам он не превосходит Солнечную систему. Небесное тело такой плотности не может быть ничем, кроме черной дыры.
Тем самым нынешние лауреаты доказали: черные дыры действительно существуют, и одна из них находится в центре нашей собственной Галактики.
Заметим, что Млечный Путь в этом отношении отнюдь не уникален. В ядрах практически всех галактик найдены яркие источники излучения, похожие на Стрелец А*. По всем признакам они тоже являются сверхмассивными черными дырами, на которые падает плотный поток излучающего вещества.
В 2019 году большая международная группа астрономов использовала восемь радиотелескопов, чтобы получить самое подробное изображение центрального объекта галактики М87.
Черные дыры: фото, факты, комментарии ученых
Черные дыры — одни из самых загадочных объектов Вселенной. Разбираемся вместе с астрофизиком Сергеем Поповым, что это такое и почему для их съемки нужны телескопы со всего мира
Что такое черная дыра
Черная дыра — это область внутри космоса с настолько сильной гравитацией, что она засасывает все вокруг, включая свет. Профессор РАН Сергей Попов объясняет, что у черных дыр нет одного четкого определения, и даже такое — это один из вариантов. Если спросить разных ученых — астрофизиков и физиков — они подойдут к ответу с разных сторон.
Лекция Сергея Попова о черных дырах на YouTube
Сам Сергей определяет черные дыры как максимально компактный объект, который не демонстрирует свойств поверхности. И размер этого объекта соответствует радиусу Шварцшильда — расстоянию от центра тела до горизонта событий. Где горизонт событий — это «точка невозврата» или граница черной дыры. Для каждого объекта существует свой радиус Шварцшильда, который можно рассчитать. Если сжать любой предмет до этого радиуса, он превратится в черную дыру. Условно говоря, если бы мы хотели сжать Солнце и трансформировать его в черную дыру, его радиус составил бы всего 3 км, при изначальных около 700 тыс. км.
Само словосочетание «черная дыра» — это просто удачно придуманное обозначение. Примерно как «Большой взрыв». Сама идея черных дыр возникла в конце XVIII века. Тогда их называли по-другому: были варианты «застывшие звезды» или «коллапсары».
Визуализация черной дыры (Фото: NASA)
Сергей рассказывает, что в науке часто приживается какое-то словосочетание именно благодаря тому, что оно удобное. Дыра — потому что, если что-то туда попало, то не может выбраться назад. А черная — потому, что сам по себе этот объект ничего или практически ничего не излучает. Если представить пустую Вселенную, черный космос, и поместить там черную дыру, то ее невозможно будет увидеть. Она ничем не выделяется на фоне этой черноты.
Черные дыры как область пространства-времени
Черные дыры еще определяют как область пространства-времени. Сергей Попов объясняет, что все современные теории гравитации — теории геометрические. В них гравитация описывается как свойство пространства и времени.
Имеется в виду, что между пространством и временем можно составить уравнение, это взаимосвязанные величины.
С начала ХХ века, с первых работ Эйнштейна по теории относительности, пространство и время объединены в некоторую сущность. Любые тела, не только массивные, но и самые маленькие, искривляют пространство вокруг себя и одновременно влияют на ход времени. Современные измерения позволяют определить, что в одном месте время идет не так, как в другом. Можно провести эксперимент и обнаружить эту разницу.
Визуализация черной дыры (Фото: NASA)
Черная дыра — это экстремальный способ воздействия на пространство — когда в одном месте собрали так много вещества или энергии, что пространство-время свернулись и образовали специфическую область. Можно говорить, что черная дыра — это объект, но с бытовой точки зрения объект — это что-то имеющее поверхность.
Если идти по абсолютно темной комнате, можно наткнуться на стол, это будет объект с началом в конкретной точке. Если в абсолютно темной комнате или с завязанными глазами попасть в черную дыру, невозможно заметить ее границу. Потому что нет никакой твердой поверхности, человек сразу окажется внутри этой области.
Сергей сравнивает такой переход с государственными или областными границами. Если идти по лесу из одной страны в другую, то без указателей и карт невозможно заметить, в какой точке кончается одно государство и начинается другое. Лес в Финляндии ничем не отличается от леса в России, и нет никакой четкой границы, на которую можно наткнуться. И черная дыра — это такая область, где масса свернула пространство-время, и в итоге никакие предметы не могут ее покинуть, как только пересекут границу. Все, что туда попало, навсегда останется за горизонтом.
Черные дыры интересны в первую очередь как экстремальные объекты. Это максимально скрученное пространство-время, и многие эффекты становятся более заметны вблизи черных дыр.
Начинают появляться принципиально новые физические феномены.
Визуализация черной дыры (Фото: NASA)
В теории гравитации стремятся подобраться как можно ближе к этим экстремальным объектам. Поэтому, говорит Сергей, изучение поведения вещества в окрестности черных дыр — очень интересная штука.
Как обнаружить черную дыру
В конце своей жизни массивные звезды могут превращаться в черные дыры. И на этапе, когда только пытались найти первые черные дыры, возник вопрос: как их можно обнаружить. Первая идея была такой: звезды, особенно массивные, нередко рождаются парами. Одна из таких звезд превращается в черную дыру, и мы перестаем ее видеть. При этом она продолжает существовать. Предполагалось, что мы сможем увидеть вращение соседней звезды вокруг этого невидимого объекта, при помощи вычислений измерить его массу и обнаружить, что в этом месте находится черная дыра.
Сергей Попов рассказывает, что исторически это был первый предложенный способ поиска. С 60-х годов ученые пытались искать их по такому методу, но ничего не обнаружили. Последние пару лет стали появляться возможные кандидаты на звание черных дыр, но ученые пока не уверены, что в паре с обычными звездами находятся именно они.
Визуализация черной дыры (Фото: NASA)
Если опять обратиться к черной дыре, которая соседствует со звездой, то вещество с обычной звезды может перетекать в дыру. Черная дыра своей гравитацией будет засасывать это вещество. Если представить, что в нее одновременно кинули два камня, они могут столкнуться над горизонтом на скорости почти равной скорости света. При таком столкновении выделится много энергии, которую можно заметить.
Но в звездах не камни, а газ. Когда разные слои газа трутся друг о друга, они нагреваются до миллионов градусов, и это тепло можно увидеть.
С помощью такого способа в конце 60-х — начале 70-х годов, когда стали запускать первые рентгеновские детекторы в космос, открыли и первые черные дыры.
Визуализация черной дыры рядом со звездой (Фото: NASA)
В начале 60-х годов стало ясно, что есть яркие астрономические объекты — квазары. Дословно— «похожий на звезду радиоисточник». Это активные ядра галактик на начальном этапе развития, в центре которых находятся сверхмассивные черные дыры. Обнаружить их можно даже на очень отдаленных расстояниях. В ходе изучения квазаров стало ясно, что это небольшой источник, который находится в центре далекой галактики и при этом испускает много энергии. Попов рассказывает, что когда ученые открывают квазар, они уверены, что там «сидит» сверхмассивная черная дыра. Сейчас это самый массовый способ открытия черных дыр.
Визуализация квазара (Фото: NASA)
Почти все массивные звезды превращаются в черные дыры, но не все они находятся в двойных системах, или у них нет перетекания.
В таком случае дыры ищут другим способом. Сергей рассказывает, что черная дыра сильно искажает пространство-время вокруг себя, но тут важна не столько масса, сколько компактность. Понять это легко, достаточно представить острый предмет. Это предмет с очень маленькой площадью. Если просто ткнуть куда-то пальцем, нельзя проткнуть поверхность, а если с такой же силой надавить на иголку, то проткнется палец, которым на нее давят. Так вот маленькие объекты при той же массе сильнее искривляют пространство-время вокруг себя. Такой эффект называется гравитационным линзированием.
Ученые наблюдают за звездой и вдруг замечают, что ее блеск растет, а потом совершенно симметрично спадает обратно. Со звездой ничего не произошло, но между нами и звездой пролетел массивный объект. И этот массивный объект, искажая пространство-время, собрал световые лучи.
Визуализация черной дыры (Фото: NASA)
Поэтому кажется, будто возрастает светимость звезды, а на самом деле просто больше ее света было собрано и попало к нам.
Звезда с массой десять масс Солнца светила бы очень заметно, ученые бы ее не пропустили. А в таких наблюдениях появляется абсолютно темный объект с массой примерно десять солнечных. Что это может быть? Только черная дыра.
Если есть пара черных дыр, то, сливаясь, они будут порождать гравитационно-волновой всплеск. И в 2015 году впервые были обнаружены такие всплески гравитационного излучения. Это последний на сегодняшний день хороший способ поиска черных дыр.
Визуализация двух черных дыр (Фото: NASA)
Как сфотографировать черную дыру
Сергей Попов предлагает вспомнить фильмы или книги о человеке-невидимке. Его не видно, но если он надевает на себя одежду, мы видим одежду. Если пытается скрыться, то можно обсыпать его мукой или заметить следы. Черные дыры изучают примерно тем же способом. Ученые не видят горизонт событий и не видят недра черной дыры, поскольку ничто не может пересечь горизонт обратно в нашу сторону.
Но они изучают поведение вещества вокруг.
То, что принято называть фотографией черной дыры, на самом деле — изображение вещества, движущегося вокруг черной дыры. Но в центре действительно возникает темная область, поскольку там находится черная дыра, из которой не может исходить свет.
Первая фотография черной дыры (Фото: NASA)
По большей части черные дыры — маленькие объекты, находящиеся очень далеко от нас. Разглядеть черноту внутри яркой области удалось всего в одном случае. Для качественного снимка нужна была самая большая черная дыра в центре относительно близкой галактики. Дальше встала техническая задача — получить изображение с достаточной детализацией. Ни один телескоп сам по себе не может сделать такое изображение. Но если совместить несколько телескопов и разнести их на большие расстояния, то с точки зрения деталей они будут работать как один большой телескоп.
Именно таким способом, при помощи нескольких телескопов, разбросанных почти по всему земному шару, удалось сделать снимок того, что все называют фотографией черной дыры в галактике М87. Такая фотография пока остается единственной.
Галактика М87 (Фото: NASA)
Чтобы получить нечто похожее на снимок от других объектов, ученым нужны новые инструменты. Тем не менее есть прямые данные наблюдения поведения вещества вокруг разных черных дыр, практически вплоть до самого горизонта. До расстояния всего в несколько раз превышающих размер горизонта черной дыры.
8 способов узнать, что черные дыры действительно существуют
Когда вы совершаете покупку по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.
Из всех выдающихся концепций астрономии черных дыр могут быть самыми странными.
Область космоса, где материя настолько плотно упакована, что ничто, даже сам свет, не может ускользнуть, эти темные бегемоты также представляют довольно устрашающую перспективу. Поскольку внутри них нарушаются все обычные законы физики, заманчиво отмахнуться от черных дыр как от научной фантастики. Тем не менее, есть множество свидетельств — как прямых, так и косвенных — того, что они действительно существуют во Вселенной.
«Надежное предсказание» Эйнштейна
Черные дыры оказались неизбежным следствием общей теории относительности Альберта Эйнштейна. (Изображение предоставлено: Bettmann / Contributor) В качестве теоретической возможности черные дыры были предсказаны в 1916 году Карлом Шварцшильдом, который обнаружил, что они являются неизбежным следствием общей теории относительности Эйнштейна . Другими словами, если теория Эйнштейна верна, а все факты говорят о том, что 0006 — значит, должны существовать черные дыры.
Впоследствии они были еще более обоснованы Роджером Пенроузом и Стивеном Хокингом, которые показали, что любой объект, коллапсирующий в черную дыру, образует сингулярность, в которой традиционные законы физики нарушаются, согласно данным Кембриджского университета . Это стало настолько широко признано, что Пенроуз был удостоен доли в Нобелевской премии по физике 2020 года «за открытие того, что образование черных дыр является надежным предсказанием общей теории относительности».
Гамма-всплески
Гамма-всплески, вызванные рождением черных дыр, обнаружены наземным оборудованием. (Изображение предоставлено NASA/Swift/Cruz deWilde)(открывается в новой вкладке)
В 1930-х годах индийский астрофизик Субраманиан Чандрасекар наблюдал, что происходит со звездой, когда она израсходовала все свое ядерное топливо, по данным НАСА . Он обнаружил, что конечный результат зависит от массы звезды. Если эта звезда действительно большая, скажем, 20 масс Солнца, то ее плотное ядро, которое само по себе может быть в три или более раз больше массы Солнца, коллапсирует вплоть до черной дыры, согласно НАСА.
Окончательный коллапс ядра происходит невероятно быстро, за считанные секунды, и при этом высвобождается огромное количество энергии в виде гамма-всплеск . Этот всплеск может излучать в космос столько энергии, сколько обычная звезда излучает за всю свою жизнь. И телескопы на Земле зафиксировали многие из этих всплесков, некоторые из которых исходят из галактик, удаленных от нас на миллиарды световых лет; так что мы действительно можем видеть, как рождаются черные дыры.
Гравитационные волны
Гравитационные волны в представлении художника. Черные дыры, вращающиеся вокруг друг друга, создают рябь в пространстве-времени, которая распространяется наружу в виде гравитационных волн. (Изображение предоставлено Р. Хёртом/Caltech-JPL) Черные дыры не всегда существуют по отдельности — иногда они встречаются парами, вращаясь вокруг друг друга. Когда они это делают, гравитационное взаимодействие между ними создает рябь в пространстве-времени , которая распространяется наружу в виде гравитационных волн — еще одно предсказание теории относительности Эйнштейна.
С такими обсерваториями, как лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория и Virgo, у нас теперь есть возможность обнаруживать эти волны.0005 Space.com сообщил . О первом открытии, связанном с слиянием двух черных дыр, было объявлено еще в 2016 году, и с тех пор было сделано еще много других. По мере улучшения чувствительности детектора обнаруживаются и другие события, генерирующие волны, помимо слияний черных дыр — например, столкновение между черной дырой и нейтронной звездой, которое произошло далеко за пределами нашей галактики на расстоянии от 650 миллионов до 1,5 миллиардов световых волн. лет от Земли, Живая наука сообщила .
Невидимый спутник
Впечатление художника показывает орбиты объектов тройной системы HR 6819. (Изображение предоставлено L. Calçada/ESO) Кратковременные высокоэнергетические события, вызывающие гамма-всплески и гравитационные волны, могут быть видны на полпути через наблюдаемую Вселенную, но для большей части в их жизни черные дыры по самой своей природе будут почти незаметны.
Тот факт, что они не излучают никакого света или другого излучения, означает, что они могут скрываться в наших космических окрестностях без ведома астрономов. Однако есть один безошибочный способ обнаружить темных зверей — через их гравитационное воздействие на другие звезды. При наблюдении обычной двойной системы или пары вращающихся вокруг звезд, известной как HR 6819.в 2020 году астрономы заметили странности в движении двух видимых звезд, которые можно было бы объяснить, только если бы там был третий, совершенно невидимый объект. Когда они рассчитали его массу — по крайней мере, в четыре раза больше, чем у Солнца — исследователи поняли, что осталась только одна возможность. Это должна была быть черная дыра — самая близкая из обнаруженных к Земле, всего в тысяче световых лет от нас внутри нашей собственной галактики, как сообщал Live Science .
Рентгеновское зрение
Черная дыра Лебедь X-1 вытягивает материал из массивной синей звезды-компаньона. (Изображение предоставлено НАСА/CXC) Первое наблюдательное свидетельство существования черной дыры появилось в 1971 году, и оно также пришло из двойной звездной системы в нашей собственной галактике.
Система под названием Лебедь X-1 производит одни из самых ярких рентгеновских лучей во Вселенной. Они исходят не от самой черной дыры или ее видимой звезды-компаньона, которая огромна, в 33 раза больше массы нашего собственного Солнца, по данным НАСА . Скорее, материя постоянно отделяется от гигантской звезды и втягивается в аккреционный диск вокруг черной дыры, и именно из этого аккреционного диска, как заявили в НАСА, испускаются рентгеновские лучи. Как они сделали с HR 6819, астрономы могут использовать наблюдаемое движение звезды для оценки массы невидимого объекта в Лебеде X-1. Последние расчеты показывают, что темный объект массой 21 солнечная сконцентрирован в таком маленьком пространстве, что он не может быть ничем иным, как черной дырой, сообщает Live Science .
Сверхмассивные черные дыры
В центре нашей галактики находится сверхмассивная черная дыра в области, известной как Стрелец А. (Изображение предоставлено ESA–C. Carreau) В дополнение к черным дырам, образовавшимся в результате звездного коллапса, данные свидетельствуют о том, что сверхмассивные черные дыры, каждая из которых имеет массу в миллионы или даже миллиарды солнечных, скрывались в центрах галактик с самого начала истории Вселенной, Live Science сообщает .
В случае с так называемыми активными галактиками свидетельства существования этих тяжеловесов впечатляют. По данным НАСА , центральные черные дыры в этих галактиках окружены аккреционными дисками, производящими интенсивное излучение на всех длинах волн света. У нас также есть доказательства того, что в центре нашей галактики есть черная дыра. Это потому, что мы видим, как звезды в этом регионе вращаются так быстро — до 8% скорости света — что они должны вращаться вокруг чего-то очень маленького и массивного. По текущим оценкам, центральная черная дыра Млечного Пути имеет массу около 4 миллионов масс Солнца.
Спагеттификация
Еще одно доказательство существования черных дыр — это… спагеттификация. Вы можете задаться вопросом, что такое спагетификация? Это то, что происходит, когда вы падаете в черную дыру, и это довольно очевидно. Вы растягиваетесь в тонкие нити из-за сильного гравитационного притяжения черной дыры. К счастью, это вряд ли случится с вами или кем-либо из ваших знакомых, но вполне может быть судьбой звезды, которая слишком близко подобралась к сверхмассивной черной дыре 9.
0005 Живая наука сообщила . В октябре 2020 года астрономы стали свидетелями этого разрыва — или, по крайней мере, они увидели вспышку света от несчастной звезды, когда она была разорвана на части. К счастью, спагеттификация произошла не где-то рядом с Землей, а в галактике на расстоянии 215 миллионов световых лет от нас.
И наконец — прямое изображение
Первое в истории прямое изображение черной дыры. (Изображение предоставлено коллаборацией Event Horizon Telescope)(открывается в новой вкладке)
До сих пор у нас было много неопровержимых косвенных доказательств существования черных дыр: всплески радиации или гравитационные волны или динамические воздействия на другие тела, которые не могли t были произведены любым другим объектом, известным науке. Но окончательное решение пришло в апреле 2019 года., в виде прямое изображение сверхмассивной черной дыры в центре активной галактики Мессье 87. Эта потрясающая фотография была сделана Телескопом горизонта событий — название слегка вводящее в заблуждение, поскольку он состоит из большой сети телескопов, разбросанных по во всем мире, а не на одном инструменте.
По данным НАСА, чем больше телескопов может участвовать и чем дальше они разнесены, тем лучше конечное качество изображения. Результат ясно показывает темную тень черной дыры массой 6,5 миллиардов солнечных на фоне оранжевого свечения окружающего ее аккреционного диска, как сообщает Live Science .
Первоначально опубликовано на Live Science.
Эндрю Мэй имеет докторскую степень. получил степень доктора астрофизики в Манчестерском университете, Великобритания. В течение 30 лет он работал в академическом, государственном и частном секторах, прежде чем стать научным писателем, где он писал для Fortean Times, How It Works, All About Space, BBC Science Focus и других. Он также написал ряд книг, в том числе «Космическое воздействие» и «Астробиология: поиск жизни в другом месте во Вселенной», изданные издательством Icon Books.
Черных дыр не существует, говорит Стивен Хокинг — по крайней мере, не так, как мы думаем .
В новом исследовании Хокинга также говорится, что черные дыры могут не иметь «брандмауэров», разрушительных радиационных поясов, которые, по мнению некоторых исследователей, испепелят все, что проходит через них, но другие ученые считают это невозможным.
(Примечание редактора: следите за нашей статьей «Правда о черных дырах» в мартовском номере журнала National Geographic от 15 февраля.) ускользнуть от них — даже от света, поэтому их называют черными дырами. Граница, за которой предположительно нет возврата, известна как горизонт событий.
В соответствии с этой концепцией вся информация обо всем, что выходит за горизонт событий черной дыры, уничтожается. С другой стороны, квантовая физика, лучшее на сегодняшний день описание того, как Вселенная ведет себя на субатомном уровне, предполагает, что информацию невозможно уничтожить, что приводит к фундаментальному теоретическому конфликту.
Нет горизонтов событий
Теперь Хокинг предлагает решение парадокса: в конце концов, у черных дыр нет горизонтов событий, поэтому они не уничтожают информацию.
«Отсутствие горизонтов событий означает, что не существует черных дыр в смысле режимов, из которых не может выйти свет», — написал Хокинг в статье, которую он разместил в Интернете 22 января.
дал в августе прошлого года на семинаре в Институте теоретической физики им. Кавли в Санта-Барбаре, Калифорния.
Вместо этого Хокинг предполагает, что черные дыры обладают «видимыми горизонтами», которые лишь временно захватывают материю и энергию, которые в конечном итоге могут снова проявиться в виде излучения. Это уходящее излучение обладает всей исходной информацией о том, что попало в черную дыру, хотя и в радикально иной форме. Поскольку исходящая информация зашифрована, пишет Хокинг, нет практического способа реконструировать что-либо, что попало, на основе того, что выходит. Скремблирование происходит потому, что видимый горизонт хаотичен по своей природе, что-то вроде погоды на Земле.
Мы не можем реконструировать объект, упавший в черную дыру, на основе просочившейся из него информации, пишет Хокинг, так же как «нельзя предсказать погоду более чем на несколько дней вперед».
Брандмауэры удалены
Аргументация Хокинга против горизонтов событий, по-видимому, также устраняет так называемые брандмауэры, которые представляют собой обжигающие зоны интенсивного излучения, которые некоторые ученые недавно (и противоречиво) предположили, что они могут существовать на горизонтах событий или вблизи них.
Чтобы понять значение этого пересмотра, полезно знать, что несколько десятилетий назад Хокинг открыл, что черные дыры не являются идеально «черными». Вместо этого они излучают излучение сразу за своим горизонтом событий, энергия их гравитационных полей заставляет пары частиц появляться в окружающем вакууме.
Со временем генерация так называемого излучения Хокинга заставляет черные дыры терять массу или даже полностью испаряться.
Согласно этой теории, пары частиц, созданные вокруг черных дыр, должны быть запутаны друг с другом. Это означает, что поведение частиц каждой пары связано независимо от расстояния. Один член каждой пары падает в черную дыру, а другой убегает.
Но недавние исследования показывают, что каждая частица, покидающая черную дыру, также должна быть запутана с каждой исходящей частицей, которая уже покинула ее. Это прямо противоречит хорошо проверенному принципу квантовой физики, утверждающему, что запутанность всегда «моногамна», то есть две частицы, и только две, являются парными с момента их создания.
Поскольку никакая частица не может одновременно иметь два вида запутанности — один из которых связывает ее с другой частицей в момент ее происхождения, а другой — со всеми другими частицами, покинувшими черную дыру, — теоретически одно из этих запутываний должно расцепляются, высвобождая огромное количество энергии и создавая брандмауэр.
Брандмауэры подчиняются квантовой физике, решая загадку черных дыр относительно запутанности. Но они создают еще одну проблему, поскольку противоречат хорошо проверенному «принципу эквивалентности» Эйнштейна, который подразумевает, что пересечение горизонта событий черной дыры должно быть ничем не примечательным событием. Гипотетический астронавт, проходящий через горизонт событий, даже не будет знать о прохождении. Однако если бы был брандмауэр, астронавт мгновенно сгорел бы. Поскольку это нарушает принцип Эйнштейна, Хокинг и другие пытались доказать, что брандмауэры невозможны.
«Похоже, что он заменяет брандмауэр стеной хаоса», — сказал физик из Института Кавли Джо Полчински, не участвовавший в работе Хокинга.
Открытые вопросы
Хотя квантовый физик Сет Ллойд из Массачусетского технологического института считает, что идея Хокинга является хорошим способом избежать брандмауэров, он сказал, что на самом деле она не решает проблем, которые создают брандмауэры.
«Я бы предостерег от любой веры в то, что Хокинг придумал радикальное новое решение, отвечающее на все вопросы, касающиеся черных дыр», — сказал физик-теоретик Шон Кэрролл из Калифорнийского технологического института, который не участвовал в этом исследовании. «Эти проблемы очень далеки от решения».
Физик-теоретик Леонард Сасскинд из Стэнфордского университета в Калифорнии, который также не принимал участия в исследованиях Хокинга, предполагает, что может быть другое решение загадок, которые ставят черные дыры. Например, работа Сасскинда и его коллеги Хуана Малдасены намекает на то, что запутанность может быть связана с червоточинами: короткими путями, которые теоретически могут соединять удаленные точки в пространстве и времени.
По словам Сасскинда, это направление мысли могло бы послужить основой для исследований, которые могли бы решить спор о брандмауэре.
Физик-теоретик Дон Пейдж из Университета Альберты в Эдмонтоне, Канада, отметил, что в ближайшем будущем не будет возможности найти доказательства, подтверждающие идею Хокинга. Астрономы не смогут обнаружить никаких отличий в поведении черных дыр от того, что они уже наблюдали.
Тем не менее, новое предложение Хокинга «может привести к более полной теории квантовой гравитации, которая делает другие предсказания, поддающиеся проверке», — сказал Пейдж.
Кэрролл планирует следить за Хокингом в ближайшие дни: «Очень вероятно, что у Хокинга есть гораздо лучший аргумент, который он еще не изложил на бумаге».
Следите за Чарльзом К. Чоем в Twitter и Google+.
Читать дальше
- Журнал
- Интерактивная графика
Население Земли стремительно растет.
