Можна побачити чорну діру? Чи зможемо ми одного разу?

В заплутаних чертогах чорних дір стикаються дві фундаментальні теорії, що описують наш світ. Чи існують чорні діри насправді? Схоже, що так. Чи можна вирішити фундаментальні проблеми, які спливають при найближчому розгляді чорних дір? Невідомо. Щоб зрозуміти, з чим мають справу вчені, доведеться трохи зануритися в історію вивчення цих незвичайних об'єктів. І почнемо ми з того, що з усіх сил, які існують у фізиці, є одна, яку ми не розуміємо зовсім: гравітація.

Гравітація — точка перетину фундаментальної фізики і астрономії, межа, на якій стикаються дві найбільш фундаментальних теорії, що описують наш світ: квантова теорія й теорія простору-часу і гравітації Ейнштейна, вона ж загальна теорія відносності.

Чорні діри і гравітація

Дві ці теорії здаються несумісними. І це навіть не проблема. Вони існують у різних світах, квантова механіка описує дуже мале, а ВІД описує дуже велика.

Тільки коли ви доходите до надзвичайно малих масштабів і екстремальній гравітації, ці дві теорії стикаються і якимось чином одна з них виявляється невірною. Принаймні, так випливає з теорії.

Але є у Всесвіті одне місце, де ми могли б фактично засвідчити цю проблему, а може бути навіть і вирішити: кордон чорної діри. Саме тут ми зустрічаємо саму екстремальну гравітацію. Тільки от є одна проблема: ніхто ніколи не бачив» чорної діри.

Що таке чорна діра?

Уявіть, що вся драма у фізичному світі розгортається в театрі простору-часу, але гравітація — це єдина сила, яка фактично змінює театр, в якому грає.

Сила гравітації управляє Всесвітом, однак може навіть і не бути силою в традиційному розумінні. Ейнштейн описував її як наслідок деформації простору-часу. І, можливо, вона просто не вписується в Стандартну модель фізики елементарних частинок.

Коли дуже велика зірка вибухає в кінці свого терміну життя, її сама внутрішня частина падає під дією власної гравітації, оскільки для підтримки тиску, що діє проти сили тяжіння, більше не вистачає палива. Зрештою, гравітація все-таки здатна надавати силу, схоже на це.

Матерія колапсує і ніяка сила в природі не може залишити цей колапс.

За нескінченне час зірка колапсує в нескінченно малу точку: сингулярність, або давайте назвемо її чорною дірою. Але за кінцеве час, звичайно, зоряне ядро колапсує в щось, що має кінцеві розміри, і все ще буде володіти величезною масою в нескінченно малої області. І теж буде називатися чорною дірою.

Чорні діри не засмоктують все навколо

Примітно те, що ідея того, що чорна діра неминуче засмокче все в себе, — невірна

насправді, незалежно від того, ви обертаєтеся навколо зорі чи чорної діри, яка сформувалася зірки, це не має значення, якщо маса залишається незмінною. Стара добра відцентрова сила і ваш кутовий момент збережуть вас у безпеці і не дадуть вам впасти.

І тільки коли ви включите свої ракетні гальма, щоб перервати обертання, ви почнете падати всередину.

Проте, як тільки ви почнете падати в чорну дірку, поступово ви будете прискорюватися до все більш високих швидкостей, поки, нарешті, не досягнете швидкості світла.

Чому квантова теорія й теорія відносності несумісні?

На даний момент все йде прахом, оскільки у відповідності з КОЖНИМ ніщо не може рухатися швидше швидкості світла.

Світло — це субстрат, використовуваний в квантовому світі для обміну силами і транспортування інформації в макросвіт. Світ визначає, як швидко ви можете з'єднати причину і наслідки. Якщо ви будете рухатися швидше світла, ви зможете побачити події та змінити речі до того, як вони відбудуться. І у цього є два наслідки:

• В точці, де ви досягаєте швидкості світла, падаючи всередину, вам також необхідно вилетіти з цієї точки на ще більшій швидкості, що здається неможливим. Отже, звичайна фізична мудрість скаже вам, що ніщо не може покинути чорну діру, подолавши цей бар'єр, який ми називаємо також «горизонтом подій».
• З цього також випливає, що раптово порушуються базові принципи збереження квантової інформації.

чи Вірно це і як нам модифікувати теорію гравітації (або квантової фізики) — це питання, на які шукають відповіді дуже багато фізики. І ніхто з нас не може сказати, до яких аргументів ми прийдемо в підсумку.

чи Існують чорні діри?

Очевидно, все це хвилювання було б виправдано тільки в тому випадку, якщо б чорні діри реально існували в цьому Всесвіті. Так чи існують вони?

У минулому столітті, переконливо довели, що деякі подвійні зірки з інтенсивним рентгенівським випромінюванням насправді є зірками, коллапсировавшими в чорні дірки.

Більш того, в центрах галактик ми часто знаходимо докази величезних темних концентрацій маси. Це можуть бути надмасивні версії чорних дір, імовірно, утворених у процесі злиття безлічі зірок і газових хмар, які занурилися в центр галактики.

Докази переконливі, але непрямі. Гравітаційні хвилі дозволили нам хоча б «почути» злиття чорних дір, але сигнатура горизонту подій все ще невловима і ми ніколи не «бачили» чорних дір досі — вони просто занадто малі, занадто далекі і, в більшості випадків, дуже чорні.

Як же виглядає чорнадірка?

Якщо подивитися прямо в чорну діру, ви побачите саму темну темряву, яку тільки можна уявити.

Але безпосереднє оточення чорної діри може бути досить яскравим, оскільки гази закручуються по спіралі всередину — сповільнюючись за рахунок опору магнітних полів, які вони переносять.

З-за магнітного тертя газ нагрівається до величезних температур в декілька десятків мільярдів градусів і починає випромінювати ультрафіолетове і рентгенівське випромінювання.

Ультрагорячие електрони, які взаємодіють з магнітним полем в газі, починають виробляти інтенсивне радіовипромінювання. Таким чином, чорні діри можуть світитися і можуть бути оточені вогненним кільцем, що випромінюють на різних довжинах хвиль.

Кільце вогню з чорним-чорним центром

І все ж, в самому центрі горизонт подій вловлює, як хижий птах, кожний фотон, який підходить надто близько.

Оскільки простір викривлений величезною масою чорної діри, доріжки світла також викривляються і навіть утворюють майже концентричні кола навколо чорної діри, подібно серпантинах навколо глибокої долини. Цей ефект кільця світла був розрахований вже в 1916 році відомим математиком Девідом Гильбертом всього через кілька місяців після того, як завершив свою загальну теорію відносності.

Після багаторазового обходу чорної діри, деякі з променів світла можуть втекти, а інші виявляться в горизонті подій. На цьому складному шляху світла ви буквально можете заглянути в чорну діру. І «ніщо», яке постане вашому погляду, буде горизонтом подій.

Якщо б ви зробили знімок чорної діри, ви б побачили чорну тінь в оточенні світиться туман світла. Ми назвали цю особливість тінню чорної діри.

Що примітно, ця тінь здається більше, ніж можна було б очікувати, якщо взяти за вихідну точку діаметр горизонту подій. Причина в тому, що чорна діра діє як гігантська лінза, посилюючи себе.

Оточення тіні буде представлено крихітним «фотонним кільцем» з-за світла, який кружляє навколо чорної діри майже вічно. Крім того, ви побачите більше кілець світла, що виникають поблизу горизонту подій, однак що концентруються навколо тіні чорної діри з-за ефекту лінзування.

Фантазія чи реальність?

Може чорна діра бути просто вигадкою, яку хіба що на комп'ютері можна змоделювати? Або ж її можна побачити на практиці? Відповідь: можливо.

У Всесвіті є дві відносно довколишні надмасивні чорні діри, які настільки великі й близькі, що їх тіні можуть бути відображені з використанням сучасних технологій.

У центрі нашого Молочного Шляху є чорні діри на відстані 26 000 світлових років з масою в 4 мільйони разів більше маси Сонця і чорна діра в гігантської еліптичної галактиці M87 (Messier 87) з масою 3-6 мільярдів сонячних.

M87 в тисячу разів далі, проте в тисячу разів масивніше і в тисячу раз більше, тому обидва об'єкти будуть мати приблизно однаковий діаметр тіні, проектованої на небо.

Розгледіти зерно гірчиці в Нью-Йорку з Європи

За випадковим збігом, прості теорії випромінювання передбачають, що для обох об'єктів випромінювання, що генерується поблизу горизонту подій, буде випромінюватися на радіочастотах 230 Гц і вище.

Більшість з нас стикається з цими частотами тільки тоді, коли нам доводиться проходити через сканер в сучасному аеропорту. Чорні діри ж постійно в них купаються.

У цього випромінювання дуже коротка довжина хвилі — близько міліметра — яка легко поглинається водою. Для того, щоб телескоп міг спостерігати космічні міліметрові хвилі, він повинен бути розміщений високо на горі сухий, щоб уникнути поглинання випромінювання в тропосфері Землі.

По суті, нам знадобиться міліметровий телескоп, який зможе побачити об'єкт розміром з гірчичне зерно в Нью-Йорку, перебуваючи де-небудь у Нідерландах. Цей телескоп буде в тисячу разів зорче космічного телескопа «Хаббл», а для міліметрового діапазону хвиль розмір такого телескопа буде з Атлантичний океан або більше.

Віртуальний телескоп розміром з Землю

На щастя, нам не потрібно покривати Землю однієї-єдиної радиотарелкой, тому що ми можемо побудувати віртуальний телескоп з таким же дозволом, об'єднавши дані з телескопів у різних горах по всій Землі.

Цей метод називається апертурним синтезом і дуже довгою базової интерферометрией (VLBI). Ідея досить стара і перевірена кількома десятиліттями, проте тільки зараз її стало можливо застосовувати на високих радіочастотах.

Перші успішні експерименти показали, що структури горизонту подій можуть бути досліджені в таких частотах. Тепер же є все необхідне для проведення такого експерименту у великих масштабах.

Роботи вже ведуться

Проект BlackHoleCam — це європейський проект остаточного зображення, вимірювання та розуміння астрофізичних чорних дір. Європейський проект є частиною глобальної колаборації — консорціуму Event Horizon Telescope, в який входить більше 200 вчених з Європи, Америки, Азії і Африки. Разом вони хочуть зробити перший знімок чорної діри.

У квітні 2017 року вони спостерігали галактичний центр і M87 за допомогою восьми телескопах на шести різних горах в Іспанії, Арізоні, Гаваях, Мексиці, Чилі та Південному полюсі.

Всі телескопи були оснащені точними атомними годинами для точної синхронізації даних. Вчені записали кілька петабайт сирих даних, завдяки напрочуд гарним погодних умов по всьому світу в той час.

Фото чорноїдірки

Якщо вченим вдасться побачити горизонт подій, вони будуть знати, що проблеми, які виникають на стику квантової теорії і ОТО, не абстрактні, а дуже навіть реальні. Можливо, саме тоді їх можна буде вирішити.

Зробити це можна, якщо отримати більш чіткі зображення тіней чорних дір, або відстежити зірки і пульсари на їх шляху навколо чорних дір, використовуючи всі доступні методи для дослідження цих об'єктів.

Можливо, саме чорні діри стануть нашими екзотичними лабораторіями в майбутньому.

Розкажіть в нашому