6 фактов про чёрные дыры, которые вы не знали + ФОТО

Автор: Асахи Чанг

На днях у меня вышло несколько глав книги "Белая Вселенная" (а конкретно целых 3 полноценных главы) и они были посвящены падению в чёрную дыру. И знаете, получилось не скучно. Местами даже весело, ну и как обычно познавательно. Добавились новые неожиданные персонажи и действий не мало. Не знаю, описывал ли кто так долго до меня эффекты черной дыры, но мне понравилось! И пока у меня перерыв два дня, решил побаловать мою большую и интересующуюся космосом аудиторию статьей о черных дырах. Позже будет ещё одна статья - в ней разберу структуру черной дыры.

Сначала теория и интересные факты.

1. Первая гипотеза о черных дырах (1783)

На дворе был 1783 год. Структура Млечного Пути станет известна лишь в 1785, да и атом водорода был открыт совсем недавно, а вот свою периодическую таблицу химических элементов Менделеев ещё не создал и предложит её только в 1869 г. Английский физик, геолог, священник и теософ, а также немного астроном, Джон Мичелл, опираясь на законы Ньютона, собственную смекалку и прозорливость выдвигает гипотезу о существовании «темных звезд».

Он предположил, что могут существовать звезды настолько массивные, что их гравитация не позволяет свету покинуть их поверхность. Эти объекты оставались бы невидимыми для наблюдателя, но их присутствие можно было бы обнаружить по гравитационному воздействию на другие звезды.

По его расчетам, такой объект должен иметь 500 масс Солнца. Он считает свою идею бесполезной, но в письме к своему другу пишет, что возможно потомки смогут взять её на вооружение. Так зародилась идея черных дыр, которая впоследствии нашла свое подтверждение в рамках общей теории относительности.

Спустя 132 года, в ноябре 1915 года, великий физик-теоретик Альберт Эйнштейн отправит на публикацию свою работу с основными уравнениями Общей теории относительности, которая предскажет существование черных дыр.

Ещё Мичелл стал известен своим письмом великому ученому своей эпохи, открывателю водорода, Генри Кавендишу в 1784 году, в котором писал о влиянии гравитации на свет. Он говорил о возможности гравитационного ослабления звездного света из-за поверхностной гравитации источника. Эта статья была заново открыта в 1970-х годах и теперь признана предвосхитившей несколько астрономических идей, которые считались инновациями 20-го века.

2. Перед вами самое первое изображение черной дыры 1979 г

Астрофизик Жан-Пьер Люминэ с помощью IBM 7040, сложных расчетов и чернил создал первое симулированное изображение черной дыры. Его работа учла движение и яркость материи в аккреционном диске, а также эффекты общей теории относительности, такие как гравитационное линзирование. Несмотря на художественный и научный прорыв, идея не получила популярности тогда. Лишь спустя десятилетия реальное фото черной дыры в галактике M87 в 2019 году подтвердило его прогнозы.

3. Черная дыра в центре Млечного пути

На изображении с телескопа в Чили виден центр галактики Млечный Путь

В центрах почти всех крупных галактик находятся сверхмассивные чёрные дыры (СМЧД) массой от миллионов до нескольких миллиардов масс Солнца. Такая черная дыра под названием Sagittarius A* (Стрелец А) около 4 млн. масс Солнца находится в центре нашей галактики. Другая известная галактика M87 содержит черную дыру 6,5 млрд. масс Солнца в центре. Как ученые узнали, что они там есть?

По движению звёзд и газа вокруг невидимого, сверхплотного центра: звёзды движутся по очень быстрым и тесным орбитам, по законам гравитации такая масса может быть только у чёрной дыры, а в активных галактиках видны яркие аккреционные диски и релятивистские джеты.

Эти черные дыры косвенно влияют на эволюцию галактики: нагревают газ (да, пространство не полностью пустое), могут останавливать рождение новых звёзд, перестраивают структуру галактики.

Предвосхищая ваш вопрос: значит ли это, что рукава Млечного Пути крутятся вокруг центра под влиянием черной дыры и рано или поздно всё упадёт в неё. Ответ - нет. Черная дыра массивна, но не она упаковала звезды в нашу галактику и не она удерживает её. И нет, мы в неё не упадем. Расстояния все таки слишком огромны. В Млечном Пути триллионы звезд, а черная дыра в его центре весит всего несколько миллионов.

4. Открытие самой массивной чёрной дыры

В 2007 году астрономы открыли Космическую Подкову, гравитационно линзированную систему галактик на расстоянии около пяти с половиной миллиардов световых лет. Масса галактики переднего плана увеличивает и искажает изображение далекой фоновой галактики, свет которой путешествовал миллиарды лет, прежде чем достичь нас. Галактики переднего плана и фона находятся в таком идеальном выравнивании, что создают Кольцо Эйнштейна.

Новое исследование Космической Подковы выявило наличие в галактике переднего плана сверхмассивной черной дыры с ошеломляющей массой в 36 миллиардов солнечных масс.

Cверхмассивной черной дырой обычно называют черные дыры с массой более 5 миллиардов солнечных масс. А тут целых 36 миллиаров! Так что, пора придумывать новый класс этих объектов - например «ультрамассивная черная дыра».

Открытие огромной черной дыры в Космической Подкове представлено в новом исследовании https://arxiv.org/html/2502.13788v1.

В конце 19-го и начале 20-го века в физике произошла революция, когда теория относительности заменила ньютоновскую физику и вывела наше понимание Вселенной на новый уровень. Стало ясно, что пространство и время переплетены, а не разделены, и что массивные объекты могут искривлять пространство-время. Даже свет не был застрахован, и Эйнштейн дал идее черных дыр, которая восходит к «темным звездам» Джона Мичелла из 18 века, последовательную математическую основу. В 1936 году Эйнштейн предсказал гравитационное линзирование, хотя он не прожил достаточно долго, чтобы насладиться визуальным доказательством, которым мы наслаждаемся сегодня.

Теперь мы знаем о тысячах гравитационных линз, и они стали одним из естественных инструментов астрономов. Они существуют из-за своих огромных черных дыр.

Линзирующая передняя галактика в Космической Подкове называется LRG 3-757. Это особый тип редкой галактики, называемой Яркой Красной Галактикой (LRG), которая чрезвычайно ярка в инфракрасном диапазоне. В LRG формируется мало звезд, поэтому они «красные и мертвые». Также между галактиками практически нет взаимодействия. LRG 3-757 также чрезвычайно массивна, примерно в 100 раз массивнее Млечного Пути и является одной из самых массивных галактик, когда-либо наблюдавшихся. Теперь мы знаем, что одна из самых массивных черных дыр, когда-либо обнаруженных, занимает центр этой огромной галактики.

Ожидается, что миссия Euclid обнаружит сотни тысяч линз в течение следующих пяти лет. Свой вклад также внесет Чрезвычайно Большой Телескоп (ELT), который позволит проводить более подробные динамические исследования дисперсии скоростей.

«Эта новая эра открытий обещает углубить наше понимание эволюции галактик и взаимодействия между барионной и тёмной материей», — заключают авторы исследования.

5. Древнейшая чернай дыра во Вселенной

CEERS 1019 - древнейшая из наблюдаемых учеными черных дыр на сегодня. Ее открыли с помощью космического телескопа Джеймс Уэбб в центре очень далёкой галактики.

Эта чёрная дыра существовала уже около 570 миллионов лет после Большого взрыва - то есть её свет пролетал к нам более 13 миллиардов лет. И она сверхмассивна - её масса оценивается в 3,8-21 миллионов солнечных, а значительно она больше, чем у типичной «звёздной» чёрной дыры.

Открытие таких древних чёрных дыр показывает, что они могли формироваться очень быстро после Большого взрыва, что вызывает вопросы о механизмах их рождения и роста.

Из особенностей этой черной дыры и её галактики можно отметить следующее: избыток азота по сравнению с кислородом. Этот дополнительный азот может быть связан с очень массивными звездами, уникальными для ранней Вселенной, и связанными с ними звездными ветрами (подобными звездам Вольфа-Райе), активно обогащающими межзвездную среду. Избыток азота может быть характерен для галактик ранней Вселенной.