10 научных фактов, которые мы извлекли из первой фотографии черной дыры
Недавно ученые получили первые изображения черной дыры. Давайте посмотрим, что они обнаружили на этой фотографии.
Идея черной дыры возникла в 1783 году, когда ученый из Кембриджа Джон Митчелл понял, что довольно крупные объекты в довольно малом пространстве могут притягивать свет и даже препятствовать его выходу.
Какие данные дало ученым первое фото черной дыры
Более века спустя Карл Шварцшильд нашел точное решение общей теории относительности Эйнштейна, которое дало тот же результат: черные дыры. Мишель и Шварцшильд предсказали явную связь между горизонтом, или областью, из которой свет не может выйти, и массой черной дыры.
В течение 103 лет после предсказания Шварцшильда оно не могло быть проверено. Только 10 апреля 2019 года ученые получили первые снимки горизонта событий. Теория Эйнштейна снова сработала, как обычно.
Мы уже достаточно много знали о черных дырах, но еще до появления первой фотографии горизонта многое изменилось и раскрылось. Теперь на многие вопросы были получены ответы.
10 апреля 2019 года в рамках мероприятия Horizon Telescope Collaboration было представлено первое успешное изображение горизонта черной дыры. Эта черная дыра расположена в Мессье 87 Млечного Пути. Это самая большая и массивная галактика в местной группе галактик. Угловой диаметр события составил 42 микросекунды. Это означает, что для покрытия неба потребовалось бы 23 миллиона черных дыр такого же размера.
На расстоянии 55 миллионов световых лет предполагаемая масса этих черных дыр в 6,5 миллиардов раз превышает предполагаемую массу Солнца. Это, конечно же, соответствует более чем размеру орбиты звезды Пл-Пло вокруг Солнца. В отсутствие черной дыры свету потребовалось бы около 24 часов, чтобы пройти диаметр горизонта. И просто:.
- Телескоп Horizon Event Telescope имеет достаточное разрешение, чтобы увидеть эту черную дыру
- Черные дыры излучают большое количество радиоволн.
- На заднем плане идет очень небольшое радиовещание, заглушающее сигнал
Мы смогли создать это первое изображение. Отсюда мы извлекли 10 глубоких уроков.
Мы узнали, как выглядит черная дыра. Что за этим последует?
Как и предсказывал GTR, это действительно черная дыра. Если вы видели статьи под заголовками «Теоретик смело утверждает, что черные дыры не существуют» или «Эта новая теория гравитации может опрокинуть Эйнштейна», то вы можете предположить, что физики без проблем достигают альтернативных теорий. GTR испытал все представленные нами тесты, но для физиков нет никаких расширений, альтернатив или возможных альтернатив.
А наблюдение за черными дырами исключает огромное их количество. Теперь мы знаем, что это черная дыра, а не червь. Мы знаем, что существует горизонт событий и что он не является голой оригинальностью. Мы знаем, что горизонт событий не является твердой поверхностью, потому что падающий материал должен излучать инфракрасный сигнал. И все эти наблюдения согласуются с общей теорией относительности.
Однако эти наблюдения ничего не говорят о темной материи, самой модифицированной теории гравитации, квантовой гравитации или о чем-либо за горизонтом событий. Эти идеи выходят за рамки наблюдений EHT.
Гравитационная динамика звезды дает хорошую оценку массы черной дыры — наблюдение за газом не дает. До появления первых изображений черных дыр существовали различные способы измерения их массы.
Можно использовать звездные измерения — например, орбиту одиночной звезды вблизи черной дыры галактики или линию звездного поглощения M87 — для получения гравитационной массы или излучения газа, движущегося вокруг центральной черной дыры.
Как для галактики, так и для M87, эти две оценки сильно отличаются. Оценка гравитации была на 50-90% выше, чем оценка газа. В случае с M87 газовые измерения указывали на массу черной дыры в 3,5 миллиарда, в то время как гравитационные измерения были ближе к 6,2-6,6 миллиарда. Однако результаты EHT указывали на черную дыру с солнечной массой 6,5 млрд. Это означает, что гравитационная динамика является хорошим индикатором массы черной дыры, но выводы по газу сместились к более низким ценам. Это прекрасная возможность вновь обратиться к астрофизическим вопросам, касающимся орбитального газа.
Это должна быть вращающаяся черная дыра, ее ось показана в стороне от Земли. Благодаря наблюдениям горизонта событий, радиопередач, больших сковородок и обширных радиопередач, измеренных другими обсерваториями, EHT обнаружила, что это черная дыра (вращающаяся), а не черная Шварцшильда.
Не существует даже простых характеристик черной дыры. Черные дыры можно изучать, чтобы определить их свойства. Вместо этого необходимо построить и разработать модель самой черной дыры и ее внешнего материала, чтобы понять, что происходит. Поиск сигналов, которые могут возникнуть, может быть ограничен в соответствии с результатами. Эта черная дыра должна вращаться, и ее ось вращения показана на расстоянии около 17 градусов от Земли.
После дополнительных зарядов и потоков можно четко определить, что вокруг черной дыры существует проблема. Из визуальных наблюдений мы уже знали, что у М87 есть джеты, и что они также излучаются в Х-волнах и Х-зонах. Этот тип излучения можно получить только от звезд или фотонов. Электроны. Только за счет ускорения электронов в магнитном поле можно получить характерную радиопередачу, которую мы видели: современное радиовещание.
Также потребовалась невероятная работа по моделированию. Изменяя всевозможные параметры во всех возможных моделях, мы обнаружили, что эти наблюдения не только требуют дополнительного потока скорости для объяснения результатов радиоизлучения, но и неизбежно предсказывают результаты, не связанные с радиоволнами, например, рентгеновское излучение.
Наиболее важные наблюдения были проведены не только EHT, но и другими обсерваториями, такими как рентгеновский телескоп Xandra. Как показывают магнитно-эмиссионные спектры M87, дополнительный поток заряда должен быть нагрет. Это соответствует тому, что релятивистские электроны ускоряются в магнитном поле.
Видимые кольца показывают гравитацию и гравитационное линзирование вокруг центральной черной дыры. GTR снова проходит испытания. Это кольцо в радиообласти соответствует не самому факту, а вращающемуся кольцу частиц. Она также не соответствует наиболее стабильной круговой орбите черной дыры. Нет, это кольцо возникает из сферы гравитационно линзированных фотонов, чей курс искривлен в сторону глаза под действием гравитации черной дыры.
Этот свет изгибается в большую сферу, чем можно было бы ожидать, если бы гравитация не была такой сильной. Как отмечается в документе «Сотрудничество телескопа «Горизонт»»:.
Более 50% общего потока в дуговую секунду проходит вблизи горизонта, и мы обнаружили, что это излучение резко подавляется в десять раз, как только оно попадает в эту область. Это прямое доказательство предсказанной тени черной дыры».
Теория общей относительности Эйнштейна в очередной раз доказала свою правоту.
Черные дыры — динамические явления, и их излучение меняется со временем. Масса Солнца составляет 6,5 миллиардов, и свету требуется около одного дня, чтобы пересечь горизонт событий черной дыры. Это примерно определяет временные рамки, в которые мы можем ожидать изменений и вариаций в излучении, наблюдаемом EHT.
Наблюдения в течение нескольких дней также подтверждают, что структура испускаемого излучения меняется со временем, как и было предсказано. Данные за 2017 год включают четыре ночи наблюдений. Хотя из этих четырех изображений визуально видно, что первые два имеют схожие характеристики, а последние два — схожие черты, между первым и последним двумя изображениями есть существенные различия. Другими словами, свойства излучения вокруг черной дыры M87 меняются с течением времени.
Будущие EHT откроют физическое происхождение взрывов черных дыр. Как в рентгеновском, так и в радиодиапазонах обнаружено, что черные дыры в центре галактик испускают короткоживущие всплески излучения. На первом изображении черной дыры был показан сверхмассивный объект М87, но черная дыра в нашей галактике, Стрелец А*, столь же велика и меняется так же быстро.
По сравнению с массой М87 — 6,5 миллиардов солнечных масс — масса Стрельца А* составляет всего 4 миллиона солнечных масс, или 0,06% от первой. Это означает, что колебания больше не наблюдаются в течение суток и даже в течение минуты. Природа черных дыр быстро меняется, и их истинная природа раскрывается, когда происходит вспышка.
Как вспышки связаны с температурой и яркостью радиоизображений, которые мы видим? Происходит ли магнитное пересоединение, как в корональных выбросах массы на нашем Солнце? Что-то нарушено в токах нарастания? Стрелец А* взрывается ежедневно, поэтому мы можем связать все соответствующие сигналы с этими событиями. Если наши модели и наблюдения будут так же хороши, как в случае с М87, мы сможем определить, что является движущей силой этих событий, и, возможно, даже найти, что попало в черную дыру, которая их создает.
Появятся данные о поляризации, которые покажут, есть ли у черной дыры собственное магнитное поле. Хотя все, конечно, взволнованы первым снимком горизонта событий черной дыры, важно понимать, что вскоре появится совершенно уникальная картина: поляризация света, исходящего от черной дыры.
Благодаря электромагнитной природе света, его взаимодействие с магнитным полем накладывает особый отпечаток поляризации, позволяя нам реконструировать магнитное поле черной дыры и его изменения с течением времени.
Известно, что материя за пределами горизонта событий, которая по сути является движущимися заряженными частицами (например, электронами), создает свое собственное магнитное поле. Модели показывают, что линии магнитного поля либо остаются в аккреционном потоке, либо проходят через горизонт событий, образуя своего рода «якорь» для черной дыры. Существует связь между этими магнитными полями, аккрецией и ростом черных дыр и джетов. Без этих полей материя в аккреционном потоке не могла бы потерять импульс и упасть в горизонт событий.
Благодаря возможностям биполярной визуализации поляризационные данные говорят нам. У нас уже есть данные. Осталось только провести полный анализ.
Усовершенствования телескопа Event Horizon покажут, что вблизи галактического центра существуют и другие черные дыры. Когда планета вращается вокруг Солнца, это происходит не только потому, что Солнце оказывает гравитационное воздействие на планету. Всегда существует равная и противоположная реакция. Планета оказывает влияние на Солнце.
Аналогично, когда объект блуждает вокруг черной дыры, он также создает гравитационное давление на черную дыру. Если вблизи центра галактики существует ряд масс — а теоретически многие черные дыры все еще невидимы — то центральная черная дыра должна буквально сдвинуться с места, чтобы быть удаленной от движения окружающих тел.
Сложность в проведении такого измерения сегодня заключается в том, что для этого требуется точка отсчета, от которой можно отталкиваться для корректировки своего положения относительно положения черной дыры. Методы такого измерения включают калибр, источник, возврат к отправителю, возврат к источнику и т.д.
Вам приходится очень быстро перемещать свою внешность, а это может быть очень сложной задачей. К сожалению, времени на сравнение двух объектов нет, так как атмосфера меняется очень быстро, и за секунду может измениться многое. По крайней мере, не при сегодняшних технологиях.
Однако технологии в этой области развиваются очень быстро. Инструменты, используемые в EHT, подлежат обновлению и могут достичь необходимой скорости в середине 2020-х годов. Эта головоломка может быть решена к концу следующего десятилетия благодаря усовершенствованию инструментов.
Наконец, телескоп Event Horizon в конечном итоге покажет сотни черных дыр. Чтобы проанализировать черную дыру, размер желаемого объекта должен быть больше, чем размер массива телескопа для анализа. В настоящее время EHT может различить только три известные черные дыры во Вселенной, и только три известные черные дыры с довольно большими диаметрами: центры галактических центров Стрелец А*, М87 и NGC 1277.
Однако если запустить телескоп на орбиту, он может увеличить мощность горизонта событий телескопа размером с Землю. Теоретически это уже технически осуществимо. Увеличение числа телескопов увеличит количество и частоту наблюдений и данного анализа.
При необходимых усовершенствованиях вместо двух-трех галактик можно было бы найти более нескольких сотен черных дыр. Будущее фотографии черных дыр выглядит блестящим. Опубликовано econet.co.uk
Если у вас есть вопросы по этой теме, свяжитесь с экспертами и читателями проекта здесь.
