Заглянуть в неизвестность. Ученые предложили революционный метод наблюдения за черными дырами - фото

Заглянуть в неизвестность. Ученые предложили революционный метод наблюдения за черными дырами

19 января 2020, 07:02

Астрофизики из Великобритании опубликовали исследование о том, как можно засечь самое масштабное событие во Вселенной — столкновение черных дыр.

Коротко:

— что такое слияние черных дыр и как его засечь

— почему ученые до сих пор не видели черные дыры

— как наблюдения за столкновениями галактик изменят наше понимание Вселенной

Видео дня

Черные дыры называются черными потому что их невозможно увидеть. Но ученые из Англии придумали способ, который позволит нам изучить, вероятно, самые загадочные объекты во Вселенной.

Б лагодаря общей теории относительности Альберта Эйнштейна нам известно, что даже лежа на диване со смартфоном и читая этот текст мы все равно движемся с огромной скоростью, поскольку любой объект в космосе вращается вокруг более тяжелого объекта.

Равно как Луна вращается вокруг Земли, так и Земля вращается вокруг Солнца, не говоря уже об осевом вращении нашей планеты. Логично было бы предположить, что Солнце вращается вокруг другой тяжелой звезды.

Но, орбиту Солнца определяет другой гораздо более тяжелый объект — галактический центр. Ученые предполагают, что в центре Млечного пути находится сверхмассивная черная дыра Стрелец А*, полный оборот вокруг которой Солнце делает примерно за 225−250 млн лет.

На этом движение во Вселенной не заканчивается, ведь предполагаемые черные дыры и, соответственно, галактики также взаимодействуют друг с другом. Поэтому, вероятно, самым масштабным космическим событием является столкновение черных дыр.

Астрофизики стали предметно говорить о столкновениях черных дыр только последние несколько лет, благодаря обнаружению изменений гравитационного поля, известных как гравитационные волны.

На днях ученые из Великобритании опубликовали исследование, согласно которому в ближайшем будущем мы сможем намного детальнее изучать черные дыры и их взаимодействие.

ge.com

Фото: ge.com

Что предложили астрофизики?


Представители Университета Бирмингема заявили, что они придумали новый метод, который позволит нам увидеть столкновение черных дыр сразу с помощью нескольких измерительных устройств. Для этого ученые планируют использовать рентгеновское излучение и интерферометрию.

Правда, это произойдет не раньше 2030-го, — именно на этот период Европейское космическое агентство (ESA) запланировало старт миссий Athena и LISA, в рамках которых в космос отправят важнейшие орбитальные обсерватории.

Athena предполагает анализ космического пространства и поиск сверхмассивных черных с помощью сверхчувствительного 12-метрового телескопа рентгеновского диапазона. LISA, в свою очередь, — это общий проект ESA и NASA, в рамках которого астрономы собираются анализировать гравитационные волны посредством лазерной интерферометрии.

В Бирмингеме считают, что объединение этих двух методик позволит нам на совершенно новом уровне изучить взаимодействие галактик, процесс увеличения сверхмассивных черных дыр и узнать, какую роль играют газы вокруг этих черных дыр.

«Перспективы одновременного наблюдения за этими объектами до сих пор не изведаны и они могут привести к огромным успехам. Это обещает быть революцией в нашем понимании сверхмассивных черных дыр и того, как они развиваются в галактиках», — говорит руководитель исследования доктор Шон МакГи.

Среди авторов работы также есть ученые, которые работали над проектом LISA в течение 12 лет, и, по их словам, возможность объединения этого лазерного интерферометра с самым мощным рентгеновским телескопом сулит настоящие открытия в астрофизике.

Исследователи планируют изучить как минимум 10 столкновений сверхмассивных черных дыр, которые весят от 100 тыс. до 10 млн раз больше, чем наше Солнце. Объекты, которые они выбрали, издают достаточно сильные сигналы для того, чтобы их засекли обсерватории LISA и Athena.

Ввиду того, что ученым мало известна природа появления и развития черных дыр, на данный момент невозможно точно спрогнозировать, какие данные мы получим после наблюдений. Кроме столкновений черных дыр в отдаленных галактиках, астрофизики могут узнать, как самые тяжелые черные дыры поглощают нейтронные звезды и другие черные дыры.

Пока телескоп Athena планируют запустить в 2031-м, а работа над этим проектом ведется с 2014-го. Примечательно, что ракета-носитель с 5-тонным рентгеновским телескопом на борту должна будет стартовать с космодрома Куру во французской Гвиане, на котором за последние 10 лет произвели всего несколько запусков.

Совместную миссию LISA должны начать не раньше 2034-го.

Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine.

Фото: Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine.

О каких столкновениях черных дыр мы уже знаем?


Пока ученые из Великобритании только планируют засечь взаимодействие отдаленных галактик, которые, потенциально, могли бы объяснить нам как развивалась Вселенная, другие астрофизики уже не раз заявляли о том, что видели столкновение черных дыр.

В частности, в апреле 2019-го ученые, которые анализируют данные с лазерно-интерферометрической обсерватории LIGO в США сообщили об обнаружении гравитационных волн от слияния двух тяжелых объектов.

Ученые решили, что это было столкновение нейтронных звезд, но нейтронные звезды — это, как правило, очень плотные космические объекты, диаметр которых составляет от 10 до 20 км, а масса приблизительно равна массе Солнца. Масса же обнаруженных объектов столкновения превышала солнечную более чем в три раза, поэтому, возможно, астрофизики из LIGO впервые в истории наблюдений засекли слияние первичных черных дыр.

Эти гипотетические объекты ранее никто не наблюдал, и их основное отличие от обычных черных дыр в том, что они образуются не из-за гравитационного коллапса крупных звезд, а из-за наличия сверхплотной материи в период зарождения Вселенной. Некоторые ученые также считают, что первичные черные дыры могут выполнять функции загадочной темной материи, которая должна отвечать за скрытую массу Вселенной и высокую скорость вращений отдаленных галактик.

Более революционное открытие ученые из обсерватории LIGO совершили в 2015-м, когда они засекли столкновение двух черных дыр на расстоянии примерно в один миллиард световых лет от нас. Это было первым прямым доказательством существования гравитационных волн, также известных как «рябь пространства-времени», которые более 100 лет назад предсказал Альберт Эйнштейн.

R. Hurt/Caltech-JPL
Фото: R. Hurt/Caltech-JPL

Позже исследователи обсерватории LIGO Райнер Вайс, Барри Бариш и Кип Торн (чья книга легла в основу фильма Интерстеллар) получили за свое открытие Нобелевскую премию по физике.

«До сих пор ученые видели искривленное пространство-время только в спокойной обстановке. Как будто мы видели поверхность океана только в спокойный день, но никогда не видели шторм. Столкновение черных дыр создало шторм, в котором течение времени ускорилось, затем замедлилось, а затем снова ускорилось», — говорил тогда доктор астрофизики из США Кип Торн.

В целом, интерферометр LIGO фиксировал относительно много подобных гравитационных волн, но не все из них можно считать результатом столкновения черных дыр, — многие из обнаруженных объектов находятся в «массовом промежутке» между нейтронными звездами и черными дырами. И те, и другие (кроме описанных выше первичных черных) являются очень плотными и тяжелыми остатками мертвых звезд.

В сентябре 2019-го ученые из Университета Вирджиния заявили, что они обнаружили три галактики на расстоянии примерно в миллиард световых лет от нас, которые вскоре могут столкнуться. Расстояния между сверхмассивными черными дырами, которые расположены в центре каждой из этих галактик, колеблилось в диапазоне от 10 тыс. до 30 тыс. световых лет, что чрезвычайно мало для таких тяжелых объектов.

Если нам удастся засечь, как эти три черные дыры столкнутся — астрофизики смогут заявить о первом в своем роде событии в истории космических наблюдений. Но, проблема в том, что телескоп LIGO не может обнаружить слияние сверхмассивных черных дыр, поскольку его частота настроена на анализ объектов с гораздо меньшей массой. Поэтому для наблюдений за сближением трех галактик ученым придется использовать рентгеновские и спектроскопические телескопы.

EHT

Фото: EHT

Видели ли мы черные дыры вообще?


Как указано выше, черные дыры невозможно увидеть, поскольку они поглощают любые виды электромагнитного излучения, и о столкновениях черных дыр глубоко во Вселенной мы знаем только благодаря гравитационным волнам.

Но в апреле прошлого года СМИ во всем мире пестрили заголовками о первой в истории фотографии черной дыры. На самом деле ученые получили изображение только ее очертаний — так называемого горизонта событий, что все равно стало величайшим научным открытием.

Прорыв случился благодаря работе восьми телескопов проекта Event Horizon Telescope (EHT) или «Горизонт событий», которые последние несколько лет исследовали ближайшие к Земле черные дыры. Ученые анализировали данные о наблюдениях за сверхмассивной черной дырой в галактике M87 и «нашей» Стрелец А*, которая расположена центре Млечного пути. Расстояние к этим черным дырам составляет примерно 55 млн и 26 тыс. световых лет соответственно.

После расшифровки около 500 терабайт данных ученые опубликовали изображение отражения горизонта событий черной дыры в центре галактики Messier 87 в созвездии Девы. Горизонт событий — это условная линия за внешними границами черной дыры, после которой любой свет, попадающий туда, навсегда исчезает из нашего поля зрения.

«Сфотографировать тень, которую отбрасывает горизонт событий черной дыры — это все равно, что сфотографировать DVD-диск на поверхности Луны из Земли» — говорил астрофизик из Университета Аризоны Димитриос Псалтис. Отражение горизонта событий демонстрирует искривленный свет и всю окружающую среду, которую поглощает черная дыра, создавая «шторм» в пространстве-времени, о чем и говорил Кип Торн.

Через несколько месяцев после публикации изображения, 347 астрономов из Event Horizon Telescope получили $3 млн за свое открытие в рамках премии Breakthrough Prize. Каждому ученому досталось $8,6 тыс.

Несмотря на первое в истории изображение горизонта событий и данные о столкновениях черных дыр, сегодня существуют только гипотезы о природе формирования и характеристиках этих объектов, поскольку приблизиться к любой из черных дыр практически невозможно. «Для меня большой вопрос, сможем ли мы когда-нибудь преодолеть эту границу. Возможно, нет. Это расстраивает, но мы должны принять это», — говорил председатель научного совета проекта EHT Хейно Фальке.

Делитесь материалом




Радіо НВ
X