Как формируются чёрные дыры и почему они являются самыми экстремальными объектами Вселенной

Чёрная дыра — это область пространства, где гравитация настолько сильна, что ничто, даже свет, не может убежать, как только пересекает границу, называемую событийным горизонтом, согласно NASA. Это единственное свойство — односторонняя поверхность в пространстве — делает эти объекты, а не их видимый размер, самыми экстремальными окружениями, известными в физике.

Как формируется чёрная дыра

Лучше всего понимаемый путь — звёздный коллапс. NASA объясняет, что звёзды с массой более чем примерно в 20 раз превышающей массу Солнца в конце концов исчерпывают своё ядерное топливо; ядро затем коллапсирует внутрь, в то время как внешние слои взлетают в результате взрыва сверхновой. Если оставшееся сжатое ядро всё ещё содержит более примерно трёх солнечных масс, NASA заявляет, что никакая известная сила не может остановить это ядро от коллапса в чёрную дыру.

ESA описывает тот же механизм: когда звёздное ядро выше этого порога массы сжимается в достаточно малый объём, его собственная гравитация подавляет все остальные физические силы, и объект продолжает сжиматься, пока свет больше не может его покидать. Чёрные дыры могут продолжать расти впоследствии, поглощая окружающий газ, процесс, называемый аккреацией, согласно NASA. ESA отмечает, что одна аккреация с трудом может объяснить, как некоторые сверхмассивные чёрные дыры выросли настолько большими настолько рано в истории Вселенной, что является одной из причин, почему учёные изучают промежуточные чёрные дыры как возможное недостающее звено.

Отдельная, менее установленная идея касается самых ранних моментов Вселенной. Некоторые теории предлагают, что первичные чёрные дыры могли сформироваться непосредственно из экстремальных условий вскоре после Большого взрыва, без участия какой-либо звезды. ESA говорит, что её миссия Euclid может помочь проверить, существуют ли такие объекты и могут ли они объяснить часть тёмной материи Вселенной.

Четыре класса, определяемые по массе

NASA и ESA группируют чёрные дыры в категории, основываясь в основном на том, сколько массы они содержат, так как масса определяет размер, силу гравитации и маршрут формирования.

Что их делает экстремальными

Событийный горизонт — это особенность, которая отличает чёрные дыры. NASA описывает её как точку, где скорость убегания, необходимая для того чтобы покинуть объект, превышает скорость света, поэтому ничто — включая сам свет — не может пересечь обратно наружу. Потому что свет не убегает, сами чёрные дыры не испускают свет; то, что обнаруживают астрономы, — это свечение материи прямо за пределами этой границы.

Это свечение исходит из диска аккреции, материи, втянутой из соседних звёзд или облаков газа, которая спиралевидно входит и нагревается при приближении к событийному горизонту, согласно описанию NASA анатомии чёрной дыры. Вокруг активно питающихся сверхмассивных чёрных дыр эта область — называемая корона — достигает температур примерно в один миллиард градусов и производит высокоэнергетические рентгеновские лучи, с частицами, движущимися со скоростями, приближающимися к скорости света.

В самом центре общая теория относительности предсказывает сингулярность, точку, где материя сжата в бесконечную плотность, согласно NASA. Она описывается как конечный пункт назначения для всего, что падает за событийный горизонт, хотя физики отмечают, что это место, где текущие теории гравитации разрушаются, а не дают полностью проверенное описание того, что на самом деле там происходит.

Прямое наблюдение чёрной дыры

Потому что чёрные дыры не испускают собственный свет, астрономы не могут их фотографировать непосредственно — они изображают тень, которую чёрная дыра отбрасывает на светящийся газ вокруг неё. Event Horizon Telescope (EHT), глобальная сеть радиообсерваторий, связанных посредством техники, называемой интерферометрией с очень длинной базой, произвёл первое такое изображение сверхмассивной чёрной дыры M87* в 2019 году и Sagittarius A*, собственной центральной чёрной дыры Млечного Пути, в 2022 году, согласно Европейской южной обсерватории (ESO), партнёру в сотрудничестве EHT.

ESO заявляет, что Sagittarius A* имеет массу примерно в 4 миллиона раз превышающую массу Солнца и находится примерно в 27000 световых лет от Земли, но с нашей точки зрения ESO описывает её как выглядящую не больше, чем пончик выглядел бы, если бы его поместили на поверхность Луны. NASA отдельно сообщает, что M87*, снятая EHT в 2019 году, содержит более 6 миллиардов солнечных масс, с событийным горизонтом, который NASA говорит, что простирался бы хорошо за пределы планет солнечной системы.

ESO отмечает, что такие изображения позволяют учёным непосредственно исследовать поведение пространства-времени на границе чёрной дыры, способ проверки общей теории относительности в самых экстремальных гравитационных условиях, доступных для наблюдения.