10 научных фактов, которые нужно извлечь из первой фотографии черной дыры

Интересно

Идея черных дыр восходит к 1783 году, когда кембриджский ученый Джон Мичелл понял, что довольно массивный объект в достаточно маленьком пространстве также может притягивать свет, не позволяя ему ускользнуть.

Более века спустя Карл Шварцшильд нашел точное решение общей теории относительности Эйнштейна, которое предсказало тот же результат: черную дыру. И Мичелл, и Шварцшильд предсказали четкую связь между горизонтом событий или радиусом области, из которой свет не может выйти, и массой черной дыры.

В течение 103 лет после предсказания Шварцшильда они не могли его проверить. Только 10 апреля 2019 года ученые обнаружили первую в истории фотографию горизонта событий. Теория Эйнштейна снова сработала, как и всегда.

Хотя мы уже много знали о черных дырах, еще до первого снимка горизонта событий, он многое изменился и прояснил. У нас было много вопросов, на которые теперь есть ответ.

Кстати, вот 10 фактов о черных дырах, которые должен знать каждый.

10 апреля 2019 года коллаборация Event Horizon Telescope представила первый успешный снимок горизонта событий черной дыры. Эта черная дыра находится в Мессье 87: самой большой и массивной галактике в нашем местном сверхскоплении галактик. Угловой диаметр горизонта событий составил 42 микродуговых секунды. Это означает, что требуется 23 квадриллиона черных дыр одинакового размера, чтобы покрыть все небо.

10 научных фактов, которые нужно узнать из первой фотографии черной дыры

На расстоянии 55 миллионов световых лет оценочная масса черной дыры в 6,5 миллиардов раз больше массы Солнца. Физически это соответствует размеру больше, чем размер орбиты Плутона вокруг Солнца. Если бы ее не было черная дыра, свету потребуется около суток, чтобы пересечь диаметр горизонта событий. И только потому, что:

телескоп Event Horizon имеет достаточное разрешение, чтобы увидеть эту черную дыру, он излучает много радиоволн, очень мало радиоволн на заднем плане, чтобы мешать сигналу

мы смогли сделать этот первый снимок. Из чего мы извлекли десять важных уроков.

Мы узнали, как выглядит черная дыра. Что дальше?

10 научных фактов, которые нужно узнать из первой фотографии черной дыры

Это действительно черная дыра, как и предсказывает общая теория относительности. Если вы когда-нибудь видели статью под названием «Теоретик смело заявляет, что черных дыр не существует» или «эта новая теория гравитации может изменить мнение Эйнштейна», я думаю, у физиков нет проблем с поиском альтернативных теорий. Хотя общая теория относительности прошла все испытания, которые мы прошли, у физиков нет недостатка в расширениях, заменах или возможных альтернативах.

А наблюдение черной дыры исключает их огромное количество. Теперь мы знаем, что это черная дыра, а не червоточина. Мы знаем, что горизонт событий существует и что это не голая сингулярность. Мы знаем, что горизонт событий – это не твердая поверхность, поскольку падающий материал должен излучать инфракрасную сигнатуру. И все эти наблюдения согласуются с общей теорией относительности.

Однако это наблюдение ничего не говорит о темной материи, более модифицированных теориях гравитации, квантовой гравитации или о том, что лежит за горизонтом событий. Эти идеи выходят за рамки наблюдений EHT.

Читайте также:  Река Колыма

10 научных фактов, которые нужно узнать из первой фотографии черной дыры

Гравитационная динамика звезд дает хорошие оценки масс черных дыр; газовое наблюдение – н. До первого изображения черной дыры у нас было несколько способов измерить массы черных дыр.

Мы могли бы использовать измерения звезд, такие как отдельные орбиты звезд около черной дыры в нашей галактике или линии поглощения звезд в M87, которые дали нам гравитационную массу или выбросы газа, движущегося вокруг дыры. Центральный черный.

И для нашей галактики, и для M87 эти две оценки сильно различались: гравитационные оценки были на 50-90% выше, чем для газовых. Для M87 измерения газа показали, что черная дыра имела массу 3,5 миллиарда солнц, а гравитационные измерения были ближе к 6,2-6,6 миллиардам. Но результаты EHT показали, что черная дыра имеет 6,5 миллиардов солнечных масс, а это означает, что гравитационная динамика является отличным индикатором масс черных дыр, но результаты по газу движутся в сторону более низких значений. Это прекрасная возможность пересмотреть наши астрофизические гипотезы об орбитальном газе.

Это должна быть вращающаяся черная дыра, и ее ось вращения направлена ​​от Земли. Наблюдения за горизонтом событий, радиоизлучением вокруг него, крупномасштабной струей и протяженными радиоизлучениями, измеренными другими наблюдателями, позволили EHT определили, что это (вращающаяся) черная дыра Керра, а не черная дыра Шварцшильда (не шварцшильдовская). -вращающийся).

У черной дыры нет ни одной простой особенности, которую мы могли бы изучить, чтобы определить ее природу. Вместо этого нам нужно построить модели самой черной дыры и материи за ее пределами, а затем разработать их, чтобы понять, что происходит. При поиске возможных сигналов, которые могут появиться, у вас есть возможность ограничить их, чтобы они соответствовали вашим результатам. Эта черная дыра должна вращаться, и ось вращения направлена ​​от Земли примерно на 17 градусов.

Наконец-то мы смогли определить, что вокруг черной дыры есть материя, соответствующая аккреционным дискам и потокам. Мы уже знали, что у M87 был джет – из оптических наблюдений – и что он также излучает в радио- и рентгеновском диапазонах.Это излучение нельзя получить только от звезд или фотонов: оно требует не только электронов, но и вещества. Только ускоряя электроны в магнитном поле, мы можем получить наблюдаемое нами характерное радиоизлучение: синхротронное излучение.

К тому же потребовалось невероятное количество работы по моделированию. Изменив все возможные параметры всех возможных моделей, вы узнаете, что эти наблюдения не только требуют аккреционных потоков для объяснения результатов радиосвязи, но и обязательно предсказывают нерадио результаты, такие как рентгеновские лучи. ‘EHT, но и от других наблюдателей, таких как рентгеновский телескоп Чандра. Ожидается, что аккреционные потоки разогреются, о чем свидетельствует спектр магнитного излучения M87, в соответствии с релятивистскими ускоряющимися электронами в магнитном поле.

10 научных фактов, которые нужно узнать из первой фотографии черной дыры

Видимое кольцо показывает силу тяжести и гравитационную линзу вокруг центральной черной дыры; и снова была проверена общая теория относительности. Это кольцо в радиолуче не соответствует самому горизонту событий и не соответствует кольцу вращающихся частиц. И это не самая стабильная круговая орбита черной дыры. Нет, это кольцо возникает из сферы гравитационных медленных фотонов, пути которых искривляются гравитацией черной дыры на пути к нашим глазам.

Читайте также:  Может ли Вселенная схлопнуться?

Этот свет складывается в более крупную сферу, чем можно было бы ожидать, если бы гравитация не была такой сильной. Как он пишет в журнале Event Horizon Telescope Collaboration:

«Мы обнаружили, что более 50% общего потока в угловых секундах проходит близко к горизонту и что это излучение резко подавляется при входе в эту область в 10 раз, что является прямым доказательством предсказанной тени дыры. Черный».

Общая теория относительности Эйнштейна снова оказалась верной.

10 научных фактов, которые нужно узнать из первой фотографии черной дыры

Черные дыры – это динамические явления, их излучение меняется со временем. При массе в 6,5 миллиардов солнц свету потребуется около суток, чтобы пересечь горизонт событий черной дыры. Это примерно определяет временные рамки, в которых мы можем ожидать увидеть изменения и флуктуации излучения, наблюдаемые EHT.

Наблюдения, продолжавшиеся в течение нескольких дней, также подтвердили, что структура испускаемого излучения меняется со временем, как и ожидалось. Данные за 2017 год содержат четыре ночи наблюдений. Даже глядя на эти четыре изображения, вы можете визуально увидеть, что первые два имеют схожие характеристики и даже последние два, однако между первым и последним есть существенные различия. Другими словами, свойства излучения вокруг черной дыры в M87 со временем меняются.

10 научных фактов, которые нужно узнать из первой фотографии черной дыры

EHT раскроет физическое происхождение взрывов черных дыр в будущем. Мы видели как в рентгеновском, так и в радиодиапазоне, что черная дыра в центре нашего Млечного Пути испускает короткие всплески излучения. Хотя самое первое представленное изображение черной дыры показало сверхмассивный объект в M87, черная дыра в нашей галактике – Стрелец A * – будет такой же большой, только она будет меняться быстрее.

По сравнению с массой M87 – 6,5 миллиардов солнечных масс – масса Стрельца A * будет всего 4 миллиона солнечных масс: 0,06% от первой. Это означает, что колебания будут наблюдаться не в течение дня, а также в течение минуты. Характеристики черной дыры будут быстро меняться, и когда произойдет эпидемия, мы сможем раскрыть ее природу.

Как вспышки связаны с температурой и яркостью наблюдаемого нами радиоизображения? Есть ли магнитное пересоединение, как при корональных выбросах массы нашего Солнца? Что-то извергается в потоках аккреции? Стрелец А * мигает ежедневно, поэтому мы можем связать все необходимые сигналы с этими событиями. Если наши модели и наблюдения будут такими же хорошими, как и для M87, мы сможем определить, что движет этими событиями, и, возможно, даже узнать, что падает в черную дыру, создавая их.

10 научных фактов, которые нужно узнать из первой фотографии черной дыры

Появятся данные о поляризации, которые покажут, есть ли у черных дыр собственные магнитные поля. Хотя мы все были очень счастливы увидеть первый снимок горизонта событий черной дыры, важно понимать, что вскоре появится совершенно уникальная картина: поляризация света, исходящего из черной дыры. Из-за электромагнитной природы света, его взаимодействие с магнитным полем запечатлевает на нем особую сигнатуру поляризации, что позволяет нам реконструировать магнитное поле черной дыры и то, как оно изменяется с течением времени.

Читайте также:  Мощные виды вооружения, которые в СССР держали в тайне

Мы знаем, что материя за пределами горизонта событий, будучи по существу заряженными движущимися частицами (такими как электроны), генерирует собственное магнитное поле. Модели показывают, что силовые линии могут оставаться в аккреционных потоках или проходить через горизонт событий, образуя своего рода «якорь» в черной дыре. Есть связь между этими магнитными полями, аккрецией и ростом черной дыры и джетов. Без этих полей вещество в аккреционных потоках не могло бы потерять угловой момент и упасть за горизонт событий.

Данные поляризации расскажут нам об этом благодаря мощи поляриметрических изображений. У нас уже есть данные: предстоит провести полный анализ.

10 научных фактов, которые нужно узнать из первой фотографии черной дыры

Обновление телескопа Event Horizon позволит выявить наличие других черных дыр вблизи галактических центров. Когда планета вращается вокруг Солнца, это происходит не только из-за того, что Солнце оказывает на планету гравитационное воздействие. Всегда есть равная и противоположная реакция: планета ударяется о солнце. Точно так же, когда объект вращается вокруг черной дыры, он также оказывает гравитационное давление на черную дыру. При наличии целого набора масс вблизи центров галактик – и, теоретически, множества невидимых пока черных дыр – центральная черная дыра должна буквально дрожать на своем месте, будучи отделенной от броуновского движения окружающих тел.

Сложность с выполнением этого измерения сегодня заключается в том, что вам нужна контрольная точка для калибровки вашего положения относительно положения черной дыры. Методика этого измерения предполагает, что вы смотрите на калибратор, затем на источник, снова на калибратор, снова на источник и так далее. В то же время нужно очень быстро отвести взгляд. К сожалению, атмосфера меняется очень быстро и многое может измениться за 1 секунду, поэтому у вас просто не будет времени сравнить два объекта. В любом случае не с помощью современных технологий.

Но технологии в этой области развиваются невероятно быстро. Инструменты, используемые на EHT, ожидают обновлений и, возможно, смогут достичь требуемой скорости к середине 2020-х годов. Эта загадка может быть решена к концу следующего десятилетия благодаря улучшенным инструментам.

10 научных фактов, которые нужно узнать из первой фотографии черной дыры

Наконец, телескоп Event Horizon со временем увидит сотни черных дыр. Чтобы разобрать черную дыру, разрешающая способность массива телескопа должна быть лучше (т.е высокое разрешение), чем размер искомого объекта. В настоящее время EHT может различить только три известные черные дыры во Вселенной с достаточно большим диаметром: Стрелец A *, центр M87 и центр галактики NGC 1277.

Но мы можем увеличить мощность глаза телескопа Event Horizon до размеров Земли, если мы выведем телескопы на орбиту. Теоретически это уже технически достижимо. Увеличение количества телескопов увеличивает количество и частоту наблюдений, а вместе с тем и разрешение.

10 научных фактов, которые нужно узнать из первой фотографии черной дыры

Внеся необходимые улучшения, вместо 2-3 галактик мы сможем найти сотни черных дыр или даже больше. Будущее фотоальбомов черных дыр выглядит ярким.

Один источник

Оцените статью
Добавить комментарий