Чёрные дыры объяснены: как они образуются, как они выглядят и доказательства их существования

Чёрные дыры — это области космоса, где гравитация настолько сильна, что за определённой границей не может убежать даже свет. Эта граница называется горизонтом событий, и НАСА описывает её как точку, в которой скорость, необходимая для побега, превышает скорость света.

Как образуются чёрные дыры

Наиболее распространённый путь — смерть массивной звезды. По данным НАСА, звезда с массой более 20 солнечных масс, исчерпав ядерное топливо в своём ядре, коллапсирует под собственным весом. Как только коллапсирующее ядро превышает примерно три солнечные массы, никакая известная сила не может остановить коллапс, и образуется чёрная дыра.

Сверхмассивные чёрные дыры, расположенные в центрах больших галактик и имеющие массу от 100 000 до миллиардов солнечных масс, сложнее объяснить только звёздным коллапсом. НАСА указывает, что происхождение сверхмассивных чёрных дыр плохо изучено, несмотря на то, что известно, что они существовали с самых ранних времён жизни галактики.

Чёрные дыры также растут после своего образования, втягивая окружающий газ и пыль процессом, называемым аккрецией, и путём слияния с другими чёрными дырами.

Структура чёрной дыры

Описание НАСА анатомии чёрной дыры содержит несколько различных частей. Сингулярность — это теоретическая точка в центре, где, согласно общей теории относительности, материя сжимается до бесконечной плотности. Окружающий её горизонт событий — это точка невозврата.

Дальше, падающий газ и пыль образуют аккреционный диск, вращающуюся структуру, которая нагревается, спираля внутрь, что делает его одним из основных способов, которыми астрономы вообще обнаруживают чёрные дыры. Близко к чёрной дыре свет может орбитировать несколько раз, прежде чем убежать, создавая тонкое, искажённое кольцо, известное как фотонная сфера. Некоторые чёрные дыры также генерируют корону частиц в миллиард градусов над диском и пары джетов, выстреливающих материю наружу со скоростью, близкой к скорости света, причём джеты сверхмассивных чёрных дыр простираются на сотни тысяч световых лет, согласно НАСА.

Типы чёрных дыр

Астрономы классифицируют чёрные дыры по массе. Звёздные чёрные дыры имеют массу от примерно трёх до нескольких десятков солнечных масс и рассыпаны по всем галактикам, таким как Млечный Путь. Сверхмассивные чёрные дыры якорят центры больших галактик и весят от 100 000 до миллиардов солнечных масс; та, что в сердце галактики Мессье 87, весит более 6 миллиардов солнечных масс, согласно НАСА. Чёрные дыры промежуточной массы в диапазоне от 100 до более 10 000 солнечных масс имеют мало подтверждённых примеров; НАСА называет событие слияния 2019 года GW190521, которое произвело чёрную дыру массой 142 солнечных масс, наиболее убедительным примером этой категории на сегодняшний день.

Как учёные доказали, что чёрные дыры реальны

Прямые изображения чёрной дыры невозможны в обычном смысле, поскольку никакой свет не может выбраться изнутри горизонта событий. Вместо этого исследователи ищут косвенные эффекты, и два знаковых результата в течение последнего десятилетия превратили чёрные дыры из теоретического предсказания в наблюдаемую реальность.

Первый пришёл 14 сентября 2015 года, когда два близнецовых детектора Advanced LIGO в Соединённых Штатах зафиксировали сигнал гравитационных волн, позже названный GW150914, согласно отчёту Physics World об открытии. Сигнал исходил от двух чёрных дыр с массами в 36 и 29 раз больше Солнца, сливающихся в одну вращающуюся чёрную дыру массой 62 солнечных масс примерно в 1,3 миллиарда световых лет от нас. Разница, эквивалентная 3 солнечным массам, была излучена в виде гравитационных волн. Обнаружение было измерено со статистической значимостью выше 5,1 сигма и подтвердило, среди прочего, что гравитационные волны распространяются со скоростью света, как предсказывала общая теория относительности Эйнштейна.

Второй знаковый результат пришёл 10 апреля 2019 года, когда коллаборация Event Horizon Telescope выпустила первое в истории изображение силуэта чёрной дыры, как сообщила MIT News. Целью была сверхмассивная чёрная дыра в центре M87, в 55 миллионах световых лет от Земли, с массой 6,5 миллиардов Солнц и горизонтом событий примерно в 40 миллиардов километров в диаметре. Восемь наземных радиотелескопов, от Гавайев и Аризоны до Мексики, Испании, Чили и Антарктиды, работали вместе как один виртуальный инструмент для захвата изображения, которое показало яркое кольцо светящегося газа, окружающего тёмную центральную «тень».

Более 200 исследователей из 13 партнёрских учреждений внесли свой вклад в результат 2019 года, согласно MIT News, и наблюдаемая тень совпадала с предсказаниями общей теории относительности.

Гравитационные эффекты на окружающее пространство

Близко к чёрной дыре падающая материя спирально входит в аккреционный диск, который НАСА описывает как «горячий, яркий, быстро вращающийся диск» — один из основных способов, которыми астрономы обнаруживают чёрные дыры, несмотря на то, что сама чёрная дыра не излучает никакого света. Эти же гравитационные эффекты искривляют путь света, проходящего рядом, что создаёт светящееся кольцо, видимое на изображениях EHT, а не просто тёмный круг.

Часто задаваемые вопросы