Черные дыры: как люди обнаружили эти «темные звезды»? (часть 2)

Москва, 20:51, 29 Ноя 2019, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Черные дыры не такие уж черные

Термин «черная дыра» часто приписывается американскому физику Джону Уилеру, но его происхождение окутано тайной. Впервые этот термин был озвучен на собрании Американской ассоциации развития науки в январе 1964 года. Неизвестно, кто его использовал, но Уилер вскоре популяризировал его. Может показаться, что поиск черных дыр будет пустой тратой времени. Как вы увидите то, что не испускает свет? Но по мере развития физики черных дыр ученые поняли, что существуют косвенные пути.

Поскольку астрономы не могут видеть саму дыру, им нужно искать ее побочные эффекты. Когда материя втянута во вращающуюся дыру (и очень хорошо, что все во Вселенной вращается), она должна создавать «аккреционный диск», ярко светящийся в результате трения, а также генерировать отличительные «струи» от полюсов. Тогда появляются гравитационные эффекты. Мы можем увидеть близлежащие тела под влиянием черной дыры. Это старинная техника, которая использовалась в прошлом, чтобы сделать вывод о существовании Нептуна. Астрономы изучили влияние гравитационного притяжения Нептуна на орбиты других планет.

Наконец, есть «излучение Хокинга». Стивен Хокинг удивился, когда в 1974 году он понял, что черные дыры не могут быть действительно черными. Идея пришла из его понимания квантовой физики — науки, управляющей очень маленькими частицами — и, в частности, «принципа неопределенности». Это говорит о том, что локализованная энергия может значительно колебаться в течение небольших периодов времени, что позволяет парам квантовых частиц появляться, а затем снова исчезать, прежде чем они будут наблюдаться. Если это произойдет вблизи горизонта событий черной дыры, одна из этих «виртуальных» частиц может быть втянута, а другая улетает. Эти рассеянные частицы и составляют излучение Хокинга. Это вряд ли можно обнаружить на достаточно большом расстоянии.

Размер черных дыр чрезвычайно разнообразен

После решения Шварцшильда черные дыры казались естественным концом для правильного вида звезд с массами, по крайней мере, в три раза превышающими массу Солнца. Но этот конкретный масштаб не является ограничением самой черной дыры, а лишь механизм формирования. В принципе, черные дыры могут существовать в любом масштабе, от микроскопического до миллионных масс Солнца. Существует в целом четыре категории черных дыр, две из которых, вероятно, были обнаружены.

На крошечном, полностью гипотетическом конце шкалы находятся микро черные дыры и квантовые черные дыры. Микро черная дыра, например, образовалась бы, если бы Земля коллапсировала, образовав горизонт событий около 9 мм в поперечнике, хотя, к счастью, нет никакого известного механизма для этого. Квантовые черные дыры еще меньше, от масштаба около 5000 протонов. В принципе, они могут быть получены в ускорителе частиц и почти сразу же распадутся. У современных ускорителей нет энергии для производства черных дыр без посторонней помощи, но, если у Вселенной есть дополнительные измерения, это может снизить энергетический порог до чего-то доступного.

Лучшее свидетельство, которое мы имеем для обычных черных дыр, образованных в результате коллапса умирающей звезды, — это рентгеновские двойные. В этих объектах материал ускоряется от одной нормальной звезды до невидимой звезды, испускающей рентгеновские лучи. Это может произойти с нейтронной звездой, но если «съедающая» звезда превышает вес Солнца более чем в три раза, то теоретически она должна быть черной дырой.

Лебедя X-1

Первая рентгеновская бинарная система, содержащая черную дыру была Лебедя X-1. Мощный источник рентгеновского излучения был обнаружен в 1964 году, а в 1971 году – стал кандидатом в черные дыры. Синяя сверхгигантская звезда была лишена материала источником рентгеновского излучения, который мог иметь массу примерно в 9-15 раз больше массы Солнца. В 1975 году Кип Торн и Стивен Хокинг сделали ставку на то, действительно ли это черная дыра. Хокинг, который был на стороне «нет», расплатился в 1990 году, когда были получены качественные данные наблюдений.

99,999999% наших знаний о черных дырах – чистая теория

С 1990 года идентификация Лебедя X-1 стала менее определенной. Это связано с тем, что звезда-компаньон очень большая, что затрудняет определение массы ее спутника — «компактного объекта». С тех пор было обнаружено много других кандидатов, но доказательства остаются косвенными и основаны на теоретических предположениях о максимальном размере нейтронной звезды, которые не могут быть подтверждены на практике.

Считается, что сверхмассивные черные дыры существуют в основе большинства галактик и, возможно, образуются в результате коллапса плотного газового облака в начале жизни галактики. Такие черные дыры могут играть существенную роль в формировании галактики, давая галактике центр, вокруг которого можно объединиться. Кандидаты в сверхмассивные черные дыры были обнаружены во многих галактических центрах благодаря странному движению соседних звезд и сильному электромагнитному излучению из этих регионов.

Звезда под названием S2 вращается вокруг центра Млечного Пути примерно в четыре раза больше радиуса орбиты Нептуна. Судя по пути S2, кажется, что она вращается вокруг чего-то с массой примерно в 4,3 миллиона раз больше массы Солнца. Объект соответствует положению интенсивного радиоисточника под названием Стрелец A *, и в настоящее время нет другого объяснения этому, кроме сверхмассивной черной дыры. В другом месте разрушение звезд дает ключ к разгадке. Считается, что необычно яркие световые сигнатуры в далеких галактиках являются звездами, разрываемыми сверхмассивными черными дырами.

Однако, не все так однозначно. Исследование 2014 года показало, что черные дыры вообще никогда не будут образовываться. Авторы полагали, что, когда звезда коллапсирует, излучение Хокинга уменьшит массу звезды настолько, что черная дыра никогда не достигнет своего завершения. Это было бы сверхплотное тело, действующее как черная дыра, но без сингулярности или горизонта событий. Это исследование не является общепринятым, но показывает, как наше понимание черных дыр в основном определяется теорией. Какой бы ни была реальность, нас еще ожидает множество сюрпризов.

И реальность такова, что ученым удалось впервые сделать фото черной дыры.