Четыре важных вопроса, на которые дали ответ после первой фотографии черной дыры во Вселенной

Впервые в истории человечество увидело настоящее изображение чёрной дыры. Этого результата добился Event Horizon Telescope — сеть из восьми радиообсерваторий по всему миру, занимающаяся наблюдением за чёрными дырами с 2012 года.

Это историческое изображение даст подсказки для ответов на четыре вопроса, которые годами озадачивали астрономов и физиков.

1. Настоящая форма черной дыры

Черные дыры оправдывают свое название.Эти загадочные объекты не излучают никакого света в электромагнитном спектре., поэтому они сами почти невидимы.

Но астрономы знают о существовании чёрных дыр, изучая их гравитационное воздействие на всё вещество вокруг них. По мере того, как чёрная дыра втягивает газ и пыль, вещество оседает, образуя вращающийся аккреционный диск, в котором атомы сталкиваются друг с другом на чрезвычайно высоких скоростях.

Высокие скорости вызывают столкновения и нагревают вещество, поэтому оно испускает рентгеновские лучи и другое высокоэнергетическое излучение. Чёрные дыры"прожорливый"Большинство звезд во Вселенной имеют диски, ярче всех звезд в их галактике вместе взятых.

Первая фотография черной дыры, сделанная людьми.

Ранее компьютерное моделирование и законы гравитационной физики позволяли астрономам визуализировать то, что они ожидали увидеть на реальном изображении. Из-за сильной гравитации вблизи чёрной дыры свет от диска преломлялся бы вокруггоризонт событий,Итак, мы можем увидеть изображение яркого диска позади черной дыры.

Когда изображение появилось на экране, оно оказалось не таким симметричным, как в кино. Гравитационная сила, отклоняющая свет из внутренней части диска к Земле, была сильнее, чем из внешней, из-за чего одна часть кольца стала ярче.

2. Точность общей теории относительности применительно к черным дырам

Точная форма получившегося гало может помочь разрешить один из самых сложных тупиков в теоретической физике.

Двумя столпами физики являются общая теория относительности Эйнштейна, которая описывает массивные, обладающие большой гравитацией объекты, такие как черные дыры, и квантовая механика, которая описывает странный мир субатомных частиц.

Но эти две теории«не играйте друг с другом»каждая теория точна только для определенных размеров материи (теория Эйнштейна не может быть применена к квантовой механике и наоборот).

Общая теория относительности застряла в черной дыре (сингулярности), поэтому изображения из черных дыр могут указать, где теория должна быть доработана, тем самым объединяя две великие теории вместе.

Поскольку чёрные дыры представляют собой самые экстремальные гравитационные среды во Вселенной, они идеально подходят для проверки теорий гравитации. Если общая теория относительности верна, чёрные дыры будут иметь одну форму; если нет, то — другую. Учёные узнают много нового.

Физик Лия Медейрос из Университета Аризоны (США) и ее коллеги провели моделирование более 12 000 различных форм черных дыр, отличающихся от предсказаний Эйнштейна.

«Если реальное изображение каким-либо образом отличается от симуляции (т.е. существует другая гипотеза о происхождении гравитации), считайте, что научное сообщество получило преждевременный рождественский подарок».сказала она.

3. Окружают ли пульсары черную дыру Галактики?

Другой способ проверить общую теорию относительности в области чёрных дыр — это посмотреть на звёзды вокруг них. Когда свет выходит из-под действия экстремальной гравитации вблизи чёрной дыры, его волны растягиваются, из-за чего свет кажется краснее.

Этот процесс, называемый гравитационным красным смещением, предсказывается общей теорией относительности и недавно наблюдался.Черная дыра SgrA*В прошлом году. На момент написания этой статьи Эйнштейн всё ещё прав.

Лучшим подопытным объектом является пульсар — потухшая звезда, которая вращается так быстро и испускает излучение с такой регулярной частотой, что ее называют пульсаром.пульсГравитационное красное смещение нарушило бы ритм пульсара, поэтому необходимо изучить предсказания теории относительности относительно этого возмущения.

«Изучение SgrA* также подразумевает попытку найти пульсар, вращающийся вокруг этой чёрной дыры», сказал астроном Скотт Рэнсом из Национальной радиоастрономической обсерватории в Шарлоттсвилле.

Пульсар PSR J1745-2900 (слева) был обнаружен в 2013 году примерно в 150 световых годах от черной дыры в центре галактики.

Несмотря на тщательные поиски, пульсары вблизи SgrA* не обнаружены, отчасти потому, что газ и пыль в центре галактики рассеивают их лучи, что затрудняет их обнаружение.

Однако EHT располагает лучшими на сегодняшний день данными изображений центра черной дыры во всем спектре радиоволн, поэтому Рэнсом и его коллеги надеются обнаружить некоторые невидимые пульсары.

«Это как рыбалка, и шансы поймать большую рыбу очень малы»., сказал г-н Рэнсом.«Однако, если мы осмелимся это сделать, результат определенно будет того стоить».

4. Сверхяркие газовые потоки некоторых черных дыр

Некоторые чёрные дыры — прожорливые и агрессивные монстры, поглощающие огромные объёмы газа и пыли, в то время как другие — придирчивые едоки. Никто не знает, почему, но SgrA *, похоже, одна из самых придирчивых: её аккреционный диск не очень яркий, несмотря на то, что он в 4 миллиона раз тяжелее Солнца.

Ещё одна цель EHT — чёрная дыра в галактике M87. Это прожорливый пожиратель, чья масса в 3,5–7,22 миллиарда раз превышает массу Солнца. Она не только окружена ярким аккреционным диском, но и выбрасывает струю заряженных субатомных частиц, простирающуюся на 5000 световых лет.

Это кажется немного обманчивым, поскольку люди обычно думают, что черные дыры просто поглощают материю и ничего не выплевывают, говорит астрофизик Томас Крихбаум из Института радиоастрономии Общества Макса Планка в Бонне, Германия.

Многие другие чёрные дыры испускают лучи света, длиннее и шире галактик, которые могут простираться на миллиарды световых лет от их центров. Вопрос в следующем:Какая энергия достаточно мощна, чтобы послать эти лучи света так далеко?

Предыдущие моделирования проводились с помощью компьютера, 3D-алгоритмов, а не реальных изображений.

Измерения EHT чёрной дыры M87 помогут оценить напряжённость её магнитного поля. Астрономы полагают, что это связано с механизмом запуска джета, а измерения его свойств при приближении к чёрной дыре помогут определить, где он берёт начало – в самой внутренней части аккреционного диска или в самой чёрной дыре.

Эти наблюдения также могут показать, была ли струя света выпущена чем-то внутри черной дыры или сверхбыстрым материалом, движущимся в аккреционном диске.

Поскольку струи могут уносить материю из центра галактики в межгалактическое пространство, они могут влиять на эволюцию галактик и даже на то, где внутри галактики образуются звезды и планеты.

По словам Кричбаума, это ключ к пониманию эволюции галактик: от раннего образования черных дыр до образования звезд, а затем и зарождения жизни.

«Это очень большая история, и исследования света от черных дыр — лишь малая часть ее»., сказал он.