Вывучэнне чорных дзірак: замарожаныя зоркі і гравітацыйныя дынамы

Чорныя дзіркі - гравітацыйныя супергероі. Вось іх гісторыя паходжання, уключаючы Першую сусветную вайну, цудоўныя вусы і Альберта Эйнштэйна.

Частка 1 з чатырохсерыйных серый пра чорныя дзіркі. Гэтая частка вызначае, што такое чорная дзірка, вяртаецца да пачаткаў даследаванняў чорнай дзіркі і паказвае, як фізікі пагадзіліся з існаваннем гэтых дзіўных аб'ектаў. Частка 2 распавядзе пра ролю чорных дзірак у галактыках і пра тое, як нябачныя аб'екты могуць стаць аднымі з самых яркіх рэчаў у космасе. Частка 3 патлумачыць, як астраномы назіраюць за чорнымі дзіркамі, выкарыстоўваючы самыя складаныя абсерваторыі вакол. Частка 4 трапіць у дзіўны бок навукі пра чорную дзірку: як гэтыя аб'екты аспрэчваюць нашы фундаментальныя тэорыі фізікі.

11 лютага 2016 г. быў знакавым днём. Пасля многіх дзесяцігоддзяў пошуку навукоўцы абвясцілі, што ўпершыню выявілі гравітацыйныя хвалі: парушэнні ў структуры прасторы і часу, якія рухаюцца са светлай хуткасцю. Але там быў другі ўрачыстасць фізікі. Хвалі далі нам найлепшыя доказы існавання некаторых самых захапляльных аб'ектаў у нашым Сусвеце: чорных дзірак.

Мала хто з навукоўцаў у гэты час сумняваецца, што чорныя дзіркі існуюць. Але ў пэўным сэнсе ўсе нашы доказы для іх ускосныя. Чорныя дзіркі, па сваёй прыродзе, цяжка назіраць. Усё святло, якое падае на іх, паглынаецца, што робіць іх амаль нябачнымі.

З іншага боку, чорныя дзіркі - самыя магчымыя гравітацыйныя электрастанцыі. Калі яны здымаюць матэрыялы з зорак або з міжзоркавых газавых аблокаў, гэты матэрыял награваецца і ярка свеціць. Гэта ўяўны парадокс: нябачныя прадметы, якія апынуліся аднымі з самых яркіх рэчаў у Сусвеце. Чорныя дзіркі, вядомыя як квазары, можна ўбачыць мільярды светлавых гадоў.

Гэта не тое самае, што бачыць чорныя дзіркі непасрэдна. Гравітацыйнае выяўленне хваль з 2016 года, аднак, адбываецца ад чорных дзірак і нічога іншага. Сігнал, які бачыў Лазерны інтэрферометр Гравітацыйна-хвалевай абсерваторыі (LIGO), быў зроблены літаральна толькі гравітацыяй, дазваляючы навукоўцам рэканструяваць, якія аб'екты зрабілі хвалі без перашкод зор, газу і чаго-небудзь іншага.

Уражанне мастака пра дзве чорныя дзіркі, якія выявіў LIGO. Звярніце ўвагу, як іх гравітацыя скажае святло зорак за імі. Выява: праект SXS (імітацыя eXtreme Spacetimes)

LIGO бачыў два аб'екты, адпаведна, 36 і 29 разоў больш масы Сонца, якія круціліся адзін аднаму некалькі разоў за секунду - значную долю хуткасці святла - перад сутыкненнем у парыве гравітацыйных хваль. Толькі чорныя дзіркі могуць быць адначасова такімі масіўнымі і досыць маленькімі, каб біцца вакол сябе з такой захапляльнай хуткасцю.

Зразумела, навукоўцы прагныя: мы хочам нават больш прамых назіранняў, чым LIGO. Калі я пішу пра гэта, астраномы сціскаюць дадзеныя з тэлескопа "Гарызонт падзей" (EHT), абсерваторыя, якая складаецца з дзясяткаў тэлескопаў па ўсёй планеце, якія на працягу двух тыдняў назіралі за цэнтральнай чорнай дзіркай Млечнага Шляху. У рэшце рэшт яны спадзяюцца стварыць самую першую прамую выяву чорнай дзіркі.

LIGO і EHT з'яўляюцца кульмінацыяй стагоддзя даследаванняў чорных дзір і пачаткам зусім новай эры адкрыццяў. У гэтай серыі я падвяду вынікі таго, што мы даведаліся пра гэтыя вельмі дзіўныя прадметы і што яшчэ трэба даведацца. Для пачатку карысна прайсці ўвесь шлях да пачатку ...

Гісторыя з чорнымі дзіркамі, як Wonder Woman, пачынаецца ў глыбокім мінулым, але сапраўды пачынаецца ў Першай сусветнай вайне. Некалькі фізікаў 18 стагоддзя разважалі пра "цёмныя зоркі", аб'екты досыць кампактныя, што святло не мог пазбегнуць іх гравітацыйнага прыцягнення. Аднак іх тэорыі былі няпоўнымі без поўнага разумення як святла, так і гравітацыі. Для гэтага патрабавалася агульная тэорыя адноснасці Альберта Эйнштэйна, упершыню апублікаваная ў 1915 годзе і дапрацаваная ў наступным годзе.

Карл Шварцшыльд (1873–1916) быў вядомым нямецкім астрафізікам і ўладальнікам пышных валасоў на твары. Яго ранняя праца па агульнай адноснасці прывяла да прагназавання чорных дзір. На здымку: Berlin-Brandenburgische Akademie der Wissenschaften - Архіў

Астрафізік і чэмпіён вусоў Карл Шварцшыльд быў адным з першых, хто прачытаў і зразумеў працу Эйнштэйна. Служачы ў нямецкай арміі, Шварцшыльд выкарыстаў агульную адноснасць, каб апісаць гравітацыйнае поле як унутры, так і звонку сферычнай, неразгибающей зоркі. Усяго праз некалькі месяцаў пасля таго, як ён адправіў сваю працу ў Эйнштэйн, Шварцшыльд памёр ад інфекцыі, як і многія іншыя салдаты з абодвух бакоў вайны.

"Рашэнне Шварцшыльда", як яго называюць у літаратуры, першапачаткова грунтавалася на няпоўнай версіі агульнай адноснасці, але іншыя фізікі перавялі яго ў канчатковую форму тэорыі. Сёння гэта часта першае, што немаўляты рэжуць зубы пры вывучэнні адноснасці. Але адно прадказанне рашэння Шварцшыльда было спрэчным.

Гравітацыя - гэта ўласцівасць масы аб'екта - колькі рэчывы ў ім утрымліваецца - і яго памеру. Напрыклад, зорка Бэтэльгейза амаль васьмі разоў перавышае масу Сонца, але паколькі яна займае значна больш месца, чым Сонца, гравітацыя на яе паверхні значна меншая. Аднак, калі вы ўшчыльнілі такую ​​ж масу ў Бетэльгейзе ў сферу, меншую прыкладна ў 48 кіламетраў (30 міль), рашэнне Шварцшыльда кажа нам, што адбываецца нешта дзіўнае. У прыватнасці, нічога, што набліжаецца да гэтага масіўнага, але маленькага аб'екта, ніколі не пазбегне.

Гэтае "нічога" не ўключае святло.

Думайце пра гравітацыю, як пра плынь у рацэ. Калі гэты ток мяккі, вы можаце пайсці на яго; ваша планета або касмічны карабель не ўрэзацца ў сонца. У большасці умоў ток будзе цягнуць вас да Сонца ці зоркі ці планеты, што прывядзе да назіраных намі арбіт. Святло таксама падвяргаецца гравітацыйнага току.

Ток чорнай дзіры больш падобны на парогі, і ў нейкі момант, як бы вы ні стараліся, ток прыцягне вас да сябе. Праходзячы нейкі гравітацыйны вадаспад, вам прыйдзецца “гнацца” хутчэй, чым хуткасць святла, што супярэчыць законам фізікі. Мяжа паміж часткай току, ад якой вы ўсё яшчэ можаце пазбегнуць, і той часткай, дзе яна занадта моцная, называецца "Гарызонт падзей".

Уражанне мастака пра гарачую матэрыю круцілася каля чорнай дзіркі. Нават нягледзячы на ​​тое, што чорная дзірка нябачная, яна аддае сябе ад уздзеяння, якое аказвае яе магутная гравітацыя на навакольны матэрыял. Цёмны круг - гэта

Аб'ектам з гарызонтам падзей з'яўляецца чорная дзірка. У большасці астранамічных і нават паўсядзённых аб'ектаў няма такой мяжы - яны занадта вялікія. Ваш уласны гарызонт падзей будзе менш, чым атам, таму вам прыйдзецца сціснуць усю сваю масу ў гэты малюсенькі аб'ём, каб стаць чорнай дзіркай, што большасць лекараў не рэкамендуе.

Тэрмін "чорная дзірка", верагодна, ад фізіка Джона Арчыбальда Уілера, які любіў складаць рэчы і проста выкарыстоўваць іх, як быццам бы гэтыя тэрміны існавалі. Даслоўна ў перакладзе гэты тэрмін з'яўляецца скупым: на многіх мовах гэта груба альбо скаталагічна. У Савецкім Саюзе, дзе фізікі самастойна распрацавалі тэорыю чорнай дзіры дзякуючы палітыцы з абодвух бакоў Жалезнай заслоны, чорныя дзіркі былі вядомыя як "замарожаныя зоркі", але гэта больш настойлівы тэрмін, калі не больш дакладна.

Ідэя гарызонтаў падзей хвалявала некаторых фізікаў, у тым ліку Эйнштэйна. Толькі таму, што агульная адноснасць апісвае чорныя дзіркі, не азначае, што яны існуюць у рэальным Сусвеце. У рэшце рэшт, тэорыя апісвае шэраг рэчаў, якія, верагодна, не існуюць, напрыклад, "белыя дзіркі", перавернутую версію чорных дзірак, якая выштурхоўвае рэчы, а не зацягвае іх у сябе. першае месца: Калі Сусвет не дазваляе гравітацыі сціснуць рэчы досыць малымі, чорныя дзіркі будуць не што іншае, як матэматычная дзівацтва.

Альберт Эйнштэйн і Дж. Роберт Оппенгеймер у 1950 г. Гэта была рэкламная фатаграфія, бо фізікі на самой справе не мелі шмат нічога агульнага, але без карціны Эйнштэйна нельга мець гісторыю з чорнай дзіркай. Працы Оппенгеймера дапамаглі паказаць, што чорныя дзіркі былі непазбежным вынікам гравітацыйнага крушэння вельмі масіўных зорак. На здымку: Агенцтва ўрада ЗША па зніжэнні пагрозы абароны

Па гэтай прычыне шмат фізікаў - як Дж. Роберт Опенгеймер, які пазней кіраваў навуковым крылом праекта Манхэтэна - спрабавалі высветліць, як зрабіць чорныя дзіркі з развальваюцца зорак. Звычайна ціск газу, які рухаецца гарачым асяродкам зоркі, ўраўнаважвае гравітацыю. Оппенгеймер і іншыя паказалі, што калі зорка перавышае пэўную масу, калі ў яе скончыцца ядзернае паліва, яна не можа падтрымліваць дастатковы ціск, каб стрымліваць яе ад разбурэння ў чорную дзірку.

Сапраўдны клінчэр з'явіўся ў 1960-я гады, калі фізікі, у тым ліку Стывен Хокінг і Роджэр Пенроуз, паказалі, што, калі ў гравітацыйным калапсе будзе дасягнута пэўная пераломная кропка, нішто не можа спыніць фарміраванне чорнай дзіркі. Гэта было магутным матэматычным доказам, але некаторыя людзі па-ранейшаму лічылі, што ў рэальным свеце чорныя дзіркі могуць існаваць - і нават калі б яны былі, іх можна было б выявіць з дапамогай тэлескопаў.

У наступнай партыі гэтай серыі я вывучу, як чорныя дзіркі пераходзілі ад цацкі тэарэтычнай фізікі да таго, што астраномы рэгулярна назіраюць.