Чёрные дыры объяснены: как они образуются, как работают и были наконец сфотографированы

Чёрная дыра определяется НАСА как астрономический объект с гравитационным притяжением настолько сильным, что ничто, включая свет, не может вырваться из него. Точка невозврата вокруг чёрной дыры называется горизонтом событий: внутри этой границы скорость, необходимая для побега, превышает скорость света, поэтому ничто, что пересекает его, не может вернуться обратно.

Как образуется чёрная дыра

Наиболее хорошо изученный путь — звёздный коллапс. По данным НАСА, звезда, масса которой более чем примерно в 20 раз превышает массу Солнца, в конечном итоге исчерпывает ядерное топливо в своём ядре и коллапсирует под действием собственной гравитации. Этот коллапс вызывает взрыв сверхновой, который сбивает внешние слои звезды. Если оставшееся ядро всё ещё превышает примерно три солнечные массы, НАСА заявляет, что никакая известная сила не может остановить коллапс от продолжения до образования чёрной дыры.

После образования чёрная дыра может расти, поглощая окружающий газ, срывая материал со звезды-компаньона или сливаясь с другой чёрной дырой, объясняет НАСА на своей обзорной странице о чёрных дырах.

Сверхмассивные чёрные дыры, найденные в центрах галактик и варьирующиеся от примерно 100 000 до миллиардов солнечных масс по данным НАСА, изучены менее хорошо. НАСА отмечает, что их происхождение остаётся открытым вопросом, так как они, похоже, существовали с самых ранних стадий формирования галактик.

Горизонт событий, сингулярность и части чёрной дыры

Описание НАСА 'анатомии' чёрной дыры перечисляет несколько отдельных зон. В центре находится сингулярность, точка, где материя сжата до того, что НАСА описывает как бесконечную плотность; учёные не уверены, является ли это физической структурой или математическим артефактом уравнений. Окружающий её горизонт событий — это граница отсутствия побега. Дальше свет падающего материала может вращаться вокруг чёрной дыры несколько раз перед побегом, создавая тонкие кольца, видимые вокруг тёмной 'тени' чёрной дыры на прямых изображениях — область, которую НАСА называет фотонной сферой.

Материя, падающая в чёрную дыру, обычно образует горячий, светящийся аккреционный диск перед пересечением горизонта событий. Во многих системах часть этого материала перенаправляется в потоки частиц, движущихся с скоростью, близкой к скорости света; в сверхмассивных чёрных дырах эти потоки могут простираться на сотни тысяч световых лет, говорит НАСА.

Доказывающие существование чёрных дыр: Пенроуз, Генцель и Гез

В течение десятилетий чёрные дыры были математическим следствием общей теории относительности Эйнштейна, а не подтверждённой физической реальностью. Королевская шведская академия наук присудила половину Нобелевской премии по физике 2020 года Роджеру Пенроузу, чьё доказательство 1965 года — описанное в собственном объявлении Академии, о котором сообщила ScienceDaily — показало, что образование чёрной дыры является надёжным и неизбежным предсказанием общей теории относительности после коллапса достаточно массивного компактного тела, и что такой коллапс обязательно создаёт сингулярность.

Другая половина этой премии была совместно присуждена Райнхарду Генцелю и Андреа Гез, которые возглавляли отдельные команды, отслеживающие орбиты звёзд в центре Млечного пути в течение десятилетий с помощью одних из самых больших телескопов мира. Их работа, также рассмотренная в объявлении Нобелевской премии, освещённой ScienceDaily, нашла невидимый объект примерно из 4 миллионов солнечных масс, сконцентрированный в области не больше, чем солнечная система — убедительные доказательства сверхмассивной чёрной дыры, теперь известной как Стрелец A*.

Обнаружение необнаруживаемого: гравитационные волны и прямые изображения

14 сентября 2015 года двойные детекторы Advanced LIGO записали сигнал, обозначенный GW150914, соответствующий предсказанной форме волны двух чёрных дыр, спирально сходящихся и сливающихся. По данным собственного научного резюме LIGO Scientific Collaboration, две чёрные дыры имели массы примерно 36 и 29 раз солнечную массу, сливаясь в одну чёрную дыру примерно из 62 солнечных масс более чем в миллиард световых лет; примерно три солнечные массы были преобразованы в энергию гравитационных волн за доли секунды. Обнаружение имело статистическую значимость более 5 сигма, означающую, что ложное срабатывание такой силы ожидалось бы примерно один раз за 200 000 лет сравнимых данных, сообщает LIGO.

Четыре года спустя Сотрудничество Event Horizon Telescope (EHT) выпустило первое в истории изображение тени чёрной дыры, сделанное M87*, сверхмассивной чёрной дырой в центре галактики Мессье 87. Как объясняет Лаборатория реактивного движения НАСА, EHT связывает радиотелескопы по всему миру в один виртуальный инструмент, используя интерферометрию с очень длинной базой, достигая разрешения примерно в 4000 раз резче, чем космический телескоп Хаббл. Кампания наблюдений апреля 2017 года, лежащая в основе изображения, выпущенная в 2019 году, измеряла M87* примерно в 6,5 миллиарда солнечных масс, расположенный примерно в 53 миллионах световых лет.

12 мая 2022 года Сотрудничество EHT выпустило второе знаковое изображение: Стрелец A*, собственная центральная чёрная дыра Млечного пути. Как описано в AAS Nova, основные данные были записаны в апреле 2017 года, что означает, что прошло более пяти лет между наблюдением и выпуском изображения. Стрелец A* имеет примерно 4 миллиона солнечных масс и находится на расстоянии 27 000 световых лет — это означает, что он, похоже, имеет примерно одинаковый кажущийся размер в небе с намного более массивным и далёким M87*, так как M87* примерно в 2000 раз дальше и примерно в 1500 раз более массивен. Измеренные размеры кольца и тени обеих чёрных дыр соответствовали предсказаниям общей теории относительности, согласно AAS Nova, давая астрономам независимое подтверждение теории Эйнштейна в отношении чёрных дыр с очень различающимися массами.

Почему это важно для физики

Каждый из этих результатов проверяет общую теорию относительности в режиме, который Эйнштейн не мог непосредственно наблюдать: материя и пространство-время под экстремальной гравитацией. Сигнал гравитационной волны от GW150914 совпадал с формой волны, предсказанной общей теорией относительности для вдохновения, слияния и последующего 'затухания' полученной чёрной дыры, согласно анализу LIGO. Диаметры колец, измеренные EHT для M87* и Стрельца A*, также соответствовали предсказаниям общей теории относительности, согласно AAS Nova, давая учёным два независимых метода подтверждения — гравитационные волны и прямое изображение — которые сходятся к одной и той же теоретической базе.