Космос для не космонавтов - Денис Игоревич Юшин

Фото тени чёрной дыры в центре галактики М87, представленное первым

Сравнение размеров горизонтов событий чёрных дыр M87 и Стрелец A*. Чёрная дыра М87, по расчётам, имеет массу 6,5 млрд. Солнц, Стрелец A* – около 4,5 млн Солнц

ЧД в галактике М87, изображение тени которой было опубликовано в 2020 году, в 1000 раз больше ЧД, находящейся в центре нашей галактики, но она и в 1000 раз дальше. Поэтому получается примерно одно и то же.

К слову сказать, наблюдения и ЧД в галактике М87 и ЧД в центре Млечного Пути были сделаны в 2017 году. Но почему же тогда специалисты сначала работали над получением изображения тени ЧД в другой галактике? Всё дело в сложности этого процесса.

Помимо того, что ЧД в галактике М87 находится в области, которая меньше заслонена пылью и газом, она, напомню, в 1000 раз больше. Из-за этого обращение звёзд и светящихся облаков вокруг неё происходит в течение месяцев. За это время яркость не успевает сильно измениться.

Фото тени чёрной дыры в центре галактики Млечный Путь

Вокруг нашей ЧД вращение происходит быстрее, из-за чего интерференционная картина постоянно меняется. Поэтому с точки зрения вычислений эта задача значительно сложнее и занимает гораздо больше времени.

Во время релиза фотографии тени ЧД в центре нашей галактики довольно подробно рассказывалось, как все изображения делились на четыре группы. Каждую обрабатывали отдельно, чтобы убрать шумы. В результате получили одно изображение в каждой группе. А уже из них – средневзвешенное изображение.

То, что было представлено общественности, является радиоизображением. Есть ли разница между изображением, полученным путём наблюдения длин волн в видимом и радиодиапазонах? Нет. И световые, и радиоволны – это электромагнитные волны. Просто из-за разницы во взаимодействии с веществом мы по-разному их фиксируем. Так что да, нам показали именно фотографию тени чёрной дыры.

Почему снимки мутные?

В настоящее время в коллаборацию EHT входят всего восемь телескопов на Гавайях, в США, Испании, Мексике, Чили и на Южном полюсе. Грубо говоря, это как если бы было всего несколько пикселей.

При учёте вращения планеты окно наблюдения становится шире, хоть и ненамного. Поэтому, несмотря на объём данных в миллионы гигабайт, девушка, работавшая над систематизацией данных, по праву называла его «скудным, зашумленным и ограниченным».

Представленные изображения были получены сетью телескопов, способных захватывать длину волны вплоть до 1 мм. Цель проекта сначала должна спуститься до 0,87 мм (что позволит повысить четкость будущих снимков на тринадцать процентов), а затем выйти за пределы размеров планеты, подключив космические телескопы.

Подтверждена ли общая теория относительности?

Нельзя не сказать об этом в рамках данной книги. Да, полученные изображения практически полностью повторяют модельные изображения, полученные на основе ОТО. Но наука тем и хороша, что всё и всегда подвергает сомнению. Доказать, что только чёрная дыра может выглядеть вот так, достаточно непросто. Почти наверняка будут выходить публикации с различными альтернативными версиями.

Поэтому – да, на сегодня это самое очевидное доказательство существования чёрных дыр. Но мы находимся лишь в начале пути. Нас ждут изучение их свойств, последующие проверки ОТО, её работы и, вероятно, квантование гравитации.

Подтверждение теории относительности предсказанием Стивена Хокинга о чёрных дырах

Подходя к завершению этого раздела, нельзя не упомянуть работу (Maximiliano Isi, 2021), объединяющую гравитационные волны и чёрные дыры. Анализ впервые зарегистрированных в 2015 году гравитационных волн (событие получило наименование GW150914) подтвердил теорему Хокинга о площади поверхности горизонта событий чёрной дыры. Теорема гласит, что эта площадь может только увеличиваться (с оговоркой, но об этом ниже).

Эта теорема, предложенная Стивеном Хокингом ещё в 1971 году, полностью согласуется и со вторым законом термодинамики, который постулирует, что энтропия может только возрастать, и с общей теорией относительности, которая, таким образом, получила ещё одно подтверждение.

Согласно одной из гипотез (теперь уже опровергнутых), слияние двух чёрных дыр может приводить к образованию третьей, с меньшей площадью горизонта событий из-за увеличения массы, которая и «сжимала» его. Это утверждение выглядело вполне логично, но противоречило классической физике и ОТО.

Дело в том, что в рамках ОТО чёрные дыры могут лишь набирать массу, а значит, как постулировал Хокинг, их горизонты событий должны лишь расти.

Математически теорема о площади подтверждается, но её трудно подтвердить наблюдениями. Тут-то и помогли гравитационные волны. GW150914. Это был сигнал от слияния двух чёрных дыр, которые образовали одну большего размера, сигнал от которой обнаружили в 2019 году. Последний использовали для вычисления массы и спи́на вновь образованной чёрной дыры. С помощью полученных данных и были вычислены площади горизонтов событий всех трёх объектов.

Благодаря подтверждению теоремы Хокинга мы получили новый инструмент для исследования этих загадочных объектов и проверки пределов нашего понимания Вселенной. Тем не менее у увеличения площади горизонта событий чёрной дыры есть предел, который был предсказан всё тем же Хокингом.

Согласно квантовой механике, которая, как все мы знаем, не очень хорошо согласуется с классической физикой, Хокинг предсказал, что в течение очень долгого времени чёрные дыры должны терять массу в виде излучения чёрного тела (которое мы теперь называем излучением Хокинга), что в итоге должно приводить к крайне медленному, но всё-таки уменьшению горизонта событий.

Загадок ещё очень много, но мы настойчиво движемся вперёд в своём стремлении понять Вселенную.

Могут ли чёрные дыры перенести нас в другие миры?

Ну а совсем в заключение хотелось бы окунуться в научную фантастику. Чёрные дыры будоражат умы не только учёных, но и людей, не связанных непосредственно с наукой. Один из вопросов, который мало кого оставит равнодушным, такой: способны ли чёрные дыры переносить нас на огромные расстояния? Ведь они сильно искривляют пространство за счёт своей массы. Совсем экзотическая идея заключается в том, что чёрные дыры могут оказаться порталами в другие вселенные.

© NASA

Реальность, судя по всему, гораздо сложнее, а за пределами научно-фантастического мира падение в чёрную дыру – плохая идея.

Часто используемая аналогия – это сгибание листа бумаги. Крайние или любые другие точки этой линии можно соединить, изогнув лист. Понимание того, как эта аналогия работает во Вселенной, требует хотя бы небольшого погружения в теорию относительности применительно к гравитации. Давайте попробуем.

Важно понимать, что чёрная дыра – это не пустое пространство, а, скорее всего, место, где огромное количество материи помещается в крошечную область, называемую сингулярностью. Эта область бесконечно мала