Чёрная дыра — это область пространства, где гравитация настолько сильна, что ничто, даже свет, не может ускользнуть, пересекнув горизонт событий. Астрономы не могут видеть чёрные дыры напрямую, поэтому они судят об их наличии по воздействию на ближайшее вещество, свет и пространство-время — через аккреционные диски, орбитальные звёзды и волны, называемые гравитационными волнами. Два знаковых наблюдения — обнаружение гравитационных волн LIGO в 2015 году и изображение M87 телескопом Event Horizon Telescope в 2019 году — превратили концепцию из теории в прямые доказательства.
Эта версия — машинный перевод оригинала (English). Читать оригинал
Чёрные дыры образуются более чем одним способом, и астрономы классифицируют их по размерным классам на основе массы, а не единственной истории происхождения.
Как образуются чёрные дыры
Наиболее понятный путь — это смерть звезды. Согласно проекту NASA «Imagine the Universe», чёрная дыра звёздной массы образуется, когда массивная звезда исчерпывает своё ядерное топливо и её ядро коллапсирует под собственной гравитацией, процесс, который может сопровождаться взрывом сверхновой. NASA утверждает, что эти чёрные дыры звёздной массы обычно имеют массу примерно в 5–20 раз больше, чем Солнце, и рассеяны по галактикам везде, где жили и умирали массивные звёзды.
На другом конце шкалы находятся супермассивные чёрные дыры, обнаруженные в центре почти каждой крупной галактики, с массой от миллионов до миллиардов раз больше солнечной массы, согласно NASA. То, как именно эти гиганты образуются и растут, NASA описывает как активную область исследований, хотя наблюдения показывают корреляцию между размером центральной чёрной дыры галактики и размером самой галактики.
NASA также описывает предложенный промежуточный класс с массами между звёздным и супермассивным диапазонами. Агентство отмечает, что астрономы только недавно начали находить возможные свидетельства промежуточных чёрных дыр, после того как многие более ранние кандидаты оказались объяснимы другими физическими процессами.
Как астрономы обнаруживают то, что не испускает свет
Саму чёрную дыру невозможно увидеть, потому что она не испускает собственный свет. На странице NASA «Imagine the Universe» объясняется, что астрономы вместо этого полагаются на косвенное обнаружение: они ищут поведение в ближайших объектах, которое можно объяснить только наличием очень большой, плотной, невидимой массы. Это включает материал, который втягивается и нагревается в светящийся аккреционный диск, или звёзды, видимо орбитирующие вокруг точки, где не видно звезды.
Один из способов получить изображение этих косвенных доказательств — радиоинтерферометрия. Телескоп Event Horizon Telescope (EHT) связывает радиообсерватории по всей планете, используя технику, называемую интерферометрией со сверхдлинной базой (VLBI), которая, как объясняется на сайте физического просвещения Einstein-Online, объединяет одновременные наблюдения с нескольких телескопов в данные, эквивалентные одному телескопу размером с Землю. Чёрная дыра не появляется напрямую; то, что регистрирует EHT, — это радиоизлучение от горячего, вращающегося газа в аккреционном диске, с тёмной центральной областью — «тенью» чёрной дыры — созданной там, где свет изгибается вокруг объекта под экстремальной гравитацией.
Первое изображение: M87
10 апреля 2019 года сотрудничество EHT выпустило первое когда-либо построенное таким образом изображение, показывающее супермассивную чёрную дыру в центре галактики M87, расположенной примерно в 55 миллионах световых лет от Земли, согласно MIT News, который сообщил об этом выпуске. MIT News сообщил о массе объекта примерно в 6,5 миллиарда раз больше солнечной, при этом изображённый горизонт событий измеряется чуть менее чем в 40 миллиардов километров в поперечнике. Кампания наблюдений объединила восемь наземных радиообсерваторий и привлекла более 200 исследователей со всего мира.
Слушание чёрных дыр: гравитационные волны
Отдельный метод обнаружения вообще не использует свет. 14 сентября 2015 года в 5:51 утра по восточному времени Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) осуществила первое прямое обнаружение гравитационных волн — волн в пространстве-времени, предсказанных общей теорией относительности Эйнштейна, — согласно MIT News. Сигнал исходил от двух чёрных дыр, каждая массой примерно в 30 раз больше солнечной, сливавшихся примерно в 1,3 миллиарда световых лет от нас. Столкновение преобразовало энергию, эквивалентную примерно трём солнечным массам, в гравитационные волны, согласно отчёту MIT, кратковременно излучая больше энергии, чем весь свет видимой вселенной. Два 4-километровых лазерных детектора LIGO в Луизиане и Вашингтоне измерили изменение длины плеча меньше, чем одна десятитысячная диаметра протона, чтобы зарегистрировать сигнал.
С тех пор LIGO присоединились детектор Virgo в Италии и KAGRA в Японии, образовав сотрудничество LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), которое, по сообщениям Caltech, зарегистрировало примерно 300 слияний чёрных дыр с 2015 года, включая более 200 только в ходе четвёртого цикла наблюдений. В ноябре 2023 года сотрудничество наблюдало слияние самых массивных чёрных дыр, когда-либо зарегистрированных гравитационными волнами, события, обозначенного GW231123, с участием объектов примерно 100 и 140 солнечных масс, слившихся в чёрную дыру примерно 225 солнечных масс, сообщил Caltech.
Ключевые факты с первого взгляда
Классы чёрных дыр и способы их обнаружения
Класс / Событие
Масса (солнечные массы)
Метод обнаружения
Чёрная дыра звёздной массы
~5–20
Косвенное: воздействие на орбитальное вещество/звёзды (NASA)
Промежуточная масса (предложено)
Не точно определено NASA; мало подтвержденных кандидатов
Косвенное, ограниченное количество подтвержденных кандидатов (NASA)
Супермассивная чёрная дыра
Миллионы - миллиарды
Косвенное; прямое изображение только для M87* и Sagittarius A* (NASA/EHT)
Чёрные дыры такой массы запрещены в соответствии со стандартными моделями звёздной эволюции.
— Mark Hannam, Cardiff University, цитируется Caltech по поводу слияния GW231123
Вместе эти два метода — получение изображения светящегося материала вокруг чёрной дыры с помощью радиоинтерферометрии и прослушивание гравитационно-волнового «щебета» двух спирализирующихся вместе чёрных дыр — дают астрономам независимые, дополняющие друг друга способы подтверждения того, что объект является чёрной дырой, и измерения её массы, хотя сама чёрная дыра никогда не излучает ничего, что можно увидеть непосредственно.
Вопросы
Можем ли мы когда-либо действительно увидеть чёрную дыру?
Нет — сама чёрная дыра не испускает свет. То, что регистрируют телескопы, такие как Event Horizon Telescope, — это радиоизлучение от горячего газа, вращающегося вокруг неё (аккреционный диск), с тёмной «тенью», где чёрная дыра блокирует и изгибает свет, согласно Einstein-Online и NASA.
Как образуются чёрные дыры?
Чёрные дыры звёздной массы образуются, когда массивная звезда исчерпывает своё топливо и её ядро коллапсирует, иногда в результате сверхновой, согласно NASA. То, как образуются супермассивные чёрные дыры в центрах галактик, остаётся активной областью исследований, заявляет NASA.
Каким было первое прямое изображение чёрной дыры?
10 апреля 2019 года сотрудничество Event Horizon Telescope выпустило изображение супермассивной чёрной дыры в галактике M87, примерно в 55 миллионах световых лет от нас, построенное из радиоданных, собранных восемью обсерваториями, как сообщила MIT News.
Что такое гравитационные волны и как они связаны с чёрными дырами?
Гравитационные волны — это волны в пространстве-времени, предсказанные общей теорией относительности Эйнштейна; LIGO осуществил первое прямое обнаружение 14 сентября 2015 года от двух сливающихся чёрных дыр массой примерно по 30 солнечных масс каждая, расположенных примерно в 1,3 миллиарда световых лет от нас, согласно MIT News.
Какую массу может иметь чёрная дыра?
Чёрные дыры звёздной массы обычно в 5–20 раз массивнее Солнца (NASA), в то время как супермассивные чёрные дыры варьируются от миллионов до миллиардов солнечных масс; чёрная дыра M87, изображённая в 2019 году, имеет массу примерно в 6,5 миллиарда солнц, согласно MIT News.
Этот материал подготовлен с помощью искусственного интеллекта и перед публикацией прошёл автоматическую проверку источников. Если вы заметили ошибку, запросите исправление. Запросить исправление или ответ · Как мы работаем
Ракеты движутся, выбрасывая отработанный газ в одном направлении, что заставляет транспортное средство двигаться в противоположном направлении, в соответствии с третьим законом Ньютона. Тяга зависит от того, какая масса отработанного газа выходит в секунду и с какой скоростью она покидает сопло, а движение по орбите зависит от баланса между поступательной скоростью и гравитационным притяжением. Многоступенчатые конструкции и в некоторых миссиях электрическая тяга используются для управления огромным количеством топлива, необходимого для полета в космос.
Подготовка астронавтов — это многолетний процесс, начинающийся с отборочного экзамена по образованию, опыту и физической подготовке, а затем переходящий в годы наземной подготовки перед полётом. По данным NASA и Европейского космического агентства (ESA), кандидаты изучают системы космических кораблей и практикуют выходы в открытый космос под водой, а кандидаты ESA также изучают русский язык, в то время как жизнь на Международной космической станции (МКС) протекает по фиксированному распорядку дня, включающему работу, упражнения и сон.
Чёрная дыра — это область пространства, где гравитация настолько сильна, что ничто, даже свет, не может улететь, когда пересекает горизонт событий. Большинство формируются, когда звезда большой массы истощает своё ядерное топливо и её ядро коллапсирует; сверхмассивные версии растут в центрах галактик в течение миллиардов лет. Прямые изображения и обнаружения гравитационных волн подтвердили их существование и проверили общую теорию относительности Эйнштейна.
Фазы Луны меняются потому, что солнечный свет падает на разные части её поверхности по мере того, как она движется вокруг Земли, а не из-за тени Земли; один полный цикл фаз, называемый синодическим месяцем, составляет в среднем 29,5 дней. Луна также притягивает воды Земли неравномерной гравитационной силой, создавая два высоких прилива и два низких прилива примерно каждые 24 часа и 50 минут, причём Солнце усиливает или ослабляет это притяжение дважды в месяц.
