Как формируются чёрные дыры, что они собой представляют и что они рассказывают о вселенной

Чёрная дыра, по определению НАСА, — это область пространства, где гравитация настолько сильна, что ничто, включая свет, не может улететь, когда пересекает границу, называемую горизонтом событий. Поскольку свет не улетает, сами чёрные дыры нельзя увидеть напрямую; их присутствие определяется по гравитационным эффектам на соседнее вещество и, с 2019 года, по прямым изображениям светящегося материала вокруг них.

Как формируется чёрная дыра

По данным НАСА, звезда генерирует энергию посредством ядерного синтеза в своём ядре, а наружное давление этой энергии уравновешивает внутреннее притяжение собственной гравитации звезды. Когда звезда с массой более чем в 20 раз больше массы Солнца исчерпывает свое ядерное топливо, это равновесие нарушается. Ядро коллапсирует под своим собственным весом, вызывая взрыв сверхновой, который выбрасывает внешние слои звезды. Если оставшееся ядро превышает примерно три солнечные массы, НАСА указывает, что оно продолжает коллапсировать в звёздную чёрную дыру.

Не каждая коллапсирующая звезда создаёт чёрную дыру. Ядро меньше примерно трёх солнечных масс обычно становится нейтронной звездой вместо этого, согласно описанию НАСА эволюции звёзд. Когда чёрная дыра существует, она может расти дальше, притягивая газ, пыль и даже другие звёзды или чёрные дыры, которые слишком близко приближаются.

Три основных типа

НАСА делит чёрные дыры на три широкие категории по массе. Звёздные чёрные дыры, размером от примерно трёх до нескольких десятков солнечных масс, рассеяны по всему Млечному пути и формируются из коллапсирующих массивных звёзд. Промежуточные чёрные дыры, с примерно 100 до более чем 10 000 солнечных масс, являются более редкими и сложнее подтверждаются; НАСА приводит один из наиболее убедительных примеров, выявленных в 2019 году. Сверхмассивные чёрные дыры, содержащие от 100 000 до миллиардов солнечных масс, расположены в центрах большинства больших галактик, включая Млечный путь.

Видение невидимого: прямые изображения

Поскольку свет не может улететь из чёрной дыры, астрономы не могут сфотографировать сам объект. Вместо этого Телескоп Event Horizon (EHT) — глобальная сеть радиотелескопов, действующих как один инструмент размером с Землю, по данным Национального научного фонда США (NSF) — снимает светящийся газ, который вращается вокруг чёрной дыры чуть за пределами её горизонта событий. 10 апреля 2019 года Сотрудничество EHT выпустило первое такое изображение сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики M87, расположенной примерно в 55 миллионах световых лет от Земли и имеющей массу примерно 6,5 миллиардов солнечных масс, согласно резюме NSF.

12 мая 2022 года Сотрудничество EHT выпустило второе изображение, на этот раз Стрельца A*, сверхмассивной чёрной дыры в центре нашего собственного Млечного пути. NSF описывает её как первое прямое визуальное свидетельство этого объекта с массой, которую NSF определяет примерно в 4 миллиона раз больше массы Солнца. Резюме выводов на cosmoquest.org аналогично определяет её массу примерно в четыре миллиона солнечных масс и расстояние примерно в 27 000 световых лет от Земли. Оба изображения показывают одну и ту же сигнатуру: тёмную центральную тень, обведённую ярким преломленным светом от перегретого орбитального газа.

Рябь в пространстве-времени: гравитационные волны

Отдельное свидетельство исходит от гравитационных волн — ряби в пространстве-времени, предсказанной теорией общей относительности Альберта Эйнштейна в 1915 году. 14 сентября 2015 года двойные детекторы Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) в Хэнфорде, Вашингтон, и Ливингстоне, Луизиана, зарегистрировали сигнал, обозначенный GW150914, согласно резюме науки LIGO. Сигнал поступил от слияния двух чёрных дыр с массой примерно 36 и 29 солнечных масс, которые объединились в одну чёрную дыру примерно в 62 солнечные массы. Три недостающие солнечные массы были излучены в виде энергии гравитационных волн, говорит LIGO, от события, произошедшего более чем в одном миллиарде световых лет.

LIGO сообщает, что обнаружение достигло статистической значимости более пяти сигм, означающей, что ложное срабатывание такой силы можно ожидать только раз в примерно 200 000 лет сравнимых данных. Наблюдаемая форма волны совпадала с предсказаниями общей теории относительности, дав физикам новый способ изучения чёрных дыр, который не зависит от света вообще.

Что чёрные дыры рассказывают нам о вселенной

Описание НАСА анатомии чёрной дыры определяет три ключевые зоны: горизонт событий, точку невозврата, где скорость убегания превышает скорость света; аккреционный диск, спирально движущееся вещество, чьё излучение позволяет астрономам обнаруживать иначе невидимые чёрные дыры; и сингулярность в центре, где вещество сжато до экстремальной плотности и текущая физика, включая общую теорию относительности, как ожидается, разрушится. НАСА отмечает, что это место, где считаются важными квантовые эффекты, означая, что чёрные дыры отмечают границу, где относительность и квантовая механика должны в конечном итоге встретиться.

Поскольку они изгибают свет, искривляют время и якорят структуру галактик, чёрные дыры функционируют как естественные лаборатории. Наблюдения из прямой съёмки и от детекторов гравитационных волн дают учёным два независимых способа проверить, ведёт ли гравитация себя так, как предсказывает теория Эйнштейна в самых экстремальных условиях, известных во вселенной.