Спросите Итана: как должен выглядеть горизонт событий чёрной дыры?

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/04/22/ask-ethan-what-should-a-black-holes-event-horizon-look-like/
  • Перевод

Изображение чёрной дыры. Несмотря на её тёмный цвет, считается, что все чёрные дыры были сформированы из обычной материи, но подобные иллюстрации не совсем точны

В апреле 2017 телескопы всего мира одновременно собрали данные по центральной чёрной дыре Млечного Пути. Из всех известных во вселенной ЧД та, что находится в центре Галактики — Стрелец A* — особенная. С нашей точки зрения её горизонт событий крупнейший из всех доступных нам ЧД. Он настолько большой, что телескопы, расположенные в разных местах Земли, должны были бы его увидеть, если бы посмотрели на него все одновременно. И хотя на комбинирование и анализ данных, полученных с разных телескопов, уйдут месяцы, к концу 2017 года мы должны получить наше первое изображение горизонта событий. Так как он должен выглядеть? Такой вопрос задаёт один из наших читателей, запутавшийся в иллюстрациях:

Разве горизонт событий не должен полностью окружать чёрную дыру на манер яичной скорлупы? Все художники рисуют чёрные дыры в виде разрезанных яиц, сваренных вкрутую. Почему горизонт событий не окружает чёрную дыру полностью?

Конечно, в интернете можно найти иллюстрации разного рода. Но какие из них правильные?


Рисунок с простым чёрным кругом и кольцом вокруг него — чрезмерно упрощённое изображние горизонта ЧД

Самый старый вид иллюстраций — простой чёрный диск, закрывающий собой весь свет позади него. Это имеет смысл, если вспомнить, что собой представляет ЧД: по сути, это собранная в одном месте масса настолько большой величины и настолько компактная, что скорость убегания с её поверхности превышает скорость света. Поскольку ничто не может двигаться так быстро, даже передача взаимодействий между частицами внутри ЧД, внутри ЧД схлопывается до сингулярности, а вокруг ЧД образуется горизонт событий. Из этого сферического участка космоса свет не может убежать, поэтому он и должен выглядеть с любой перспективы, как чёрный круг, наложенный на фон Вселенной.


ЧД — не просто масса над изолированным фоном, она оказывает гравитационные эффекты, растягивающие, увеличивающие и искажающие свет из-за гравитационного линзирования.

Но это ещё не вся история. Из-за гравитации ЧД увеличивают и искажают идущий с обратной стороны свет из-за эффекта гравитационного линзирования. Существует более точные и детальные иллюстрации внешнего вида ЧД, и у неё даже есть горизонт событий, размер которого правильно сопоставлен с кривизной пространства согласно ОТО.

К сожалению, и эти иллюстрации не лишены недостатков: они не учитывают материал, находящийся перед ЧД и аккреционный диск вокруг ЧД. Некоторые изображения включают и это.


Изображение активной ЧД, занятой аккрецией материи и ускорением её части в виде двух перпендикулярных струй, может описать ЧД в центре нашей Галактики правильно с многих точек зрения.

Из-за огромных гравитационных эффектов чёрные дыры формируют аккреционные диски в присутствии других источников материи. Астероиды, газовые облака, целые звёзды могут быть разорваны на части приливными силами, исходящими от таких массивных объектов, как чёрные дыры. Из-за сохранения углового момента и из-за столкновений между различными падающими в ЧД частицами, вокруг неё появиялется дискообразный объект, который разогревается и излучает. Во внутренних регионах частицы периодически падают в ЧД, что увеличивает её массу, а материал, находящийся перед ней, закрывает часть сферы, которую вы бы иначе видели.

Но сам по себе горизонт событий непрозрачен, и материю за ним вы видеть не должны.


У чёрной дыры в фильме Interstellar достаточно точно показан горизонт событий для особого класса вращающихся ЧД

Вас может удивить, что в голливудском фильме Interstellar ЧД изображена точнее, чем на многих профессиональных изображениях, созданных в НАСА или для него. Но даже среди профессионалов полно неправильных представлений о ЧД. ЧД не засасывают материю внутрь, а лишь оказывают гравитационное воздействие. ЧД не раздирают предметы из-за какой-то дополнительной силы — это делают простые приливные силы, когда одна часть падающего объекта оказывается ближе к центру, чем другая. И, что самое важное, ЧД редко существуют в «голом» состоянии, и часто находятся вблизи другой материи, как та, что существует в центре нашей Галактики.


Композитное изображение ЧД Стрелец А* в центре нашей Галактики, составленное из рентгеновских и инфракрасных лучей. Она обладает массой в 4 миллиона солнечных, и окружена горячим газом, излучающим в рентгеновском диапазоне

Памятуя обо всём этом, вспомним, что же это за изображения варёных яиц? Помните, что саму ЧД изобразить нельзя, поскольку она не испускает свет. Мы можем только наблюдать в определённом диапазоне длин волн и видеть сочетание света, обходящего ЧД сзади, изгибающегося вокруг и перед ней. И получающийся сигнал действительно будет напоминать варёное вкрутую яйцо, разрезанное пополам.


Некоторые из возможных сигналов горизонта событий ЧД, полученные в симуляциях проекта "Телескоп горизонта событий"

Всё дело в том, что именно мы фотографируем. Мы не можем наблюдать в рентгеновском диапазоне, ибо таких фотонов слишком мало. Мы не можем наблюдать в видимом свете, поскольку центр галактики для него непрозрачен. И мы не можем наблюдать в инфракрасном свете, поскольку атмосфера блокирует такие лучи. Но мы можем наблюдать в радиодиапазоне, и делать это по всему миру, одновременно, чтобы получить наилучшее из возможных разрешений.


Части «Телескопа горизонта событий» из одного полушария

Угловой размер ЧД в центре Галактики равен примерно 37 угловых микросекунд, а разрешение телескопа равно 15 угловых микросекунд, поэтому у нас должно получиться его увидеть! Большая часть радиочастотного излучения исходит из заряженных частиц материи, ускоряющихся вокруг ЧД. Мы не знаем, как будет ориентирован диск, будет ли там несколько дисков, будет ли это больше похоже на рой пчёл или на компактный диск. Мы также не знаем, предпочтёт ли он одну «сторону» ЧД, с нашей точки зрения, другой.


Пять различных симуляций в ОТО с использованием магнитогидродинамической модели аккреционного диска ЧД, и то, как будет выглядеть полученный сигнал

Мы ожидаем найти реальный горизонт событий, с определённым размером, блокирующий весь идущий из-за него свет. Мы также ожидаем наличие какого-либо сигнала, расположенного перед ним, неровность этого сигнала из-за беспорядка вокруг ЧД, и что ориентация диска относительно ЧД определит, что именно вы сможем увидеть.

Одна часть будет ярче, когда диск вращается в нашу сторону. Другая сторона тусклее, когда диск вращается от нас. Контур горизонта событий также может быть видимым из-за гравитационного линзирования. Что ещё важнее, расположение диска к нам ребром или плоскостью очень сильно будет влиять на характер полученного сигнала, как видно в первом и третьем квадратах рисунка ниже.


Расположение диска к нам ребром (два правых квадрата) или плоскостью (два левых квадрата) очень сильно будет влиять на то, какую ЧД мы увидим

Мы можем проверить и другие эффекты, а именно:

• обладает ли ЧД размером, предсказанным ОТО,
• круглый ли горизонт событий (как предсказано), или вытянутый, или сплющенный у полюсов,
• простирается ли радиоизлучение дальше чем мы думаем,

или есть ещё какие-то отклонения от ожидаемого поведения. Это новая ступень физики, и мы находимся на грани её прямой проверки. Одно ясно: неважно, что увидит «Телескоп горизонта событий», мы обязательно узнаем что-то новое и прекрасное об одних из самых экстремальных объектов и условий во Вселенной!

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].
Поделиться публикацией
Никаких подозрительных скриптов, только релевантные баннеры. Не релевантные? Пиши на: adv@tmtm.ru с темой «Полундра»

Зачем оно вам?
Реклама
Комментарии 19
  • 0
    Или вместо телескопа с длиной волны более 1 мм и апертурой порядка 12800 км можно расположить в космосе на расстоянии 12800 м группу телескопов под длину волны 1000 нм. Хотя наверное толща в 7 кпк пыли и водорода все поглотит и рассеит на угол свыше 1 миллионной угловой секунды.
    • +1
      Да только выдерживать расстояние между телескопами в космосе сложнее иначе бы давно уже запустили бы парочку с апертурой в миллион километров или того больше.
      • 0
        Можно на обратной стороне Луны построить.
    • 0
      я не могу понять почему мы должны увидеть хоть какуюто черную область,
      ведь на таком растоянии из за гравитационного линзирования чд — станет просто невидимой.
      излучение что находится позади чд относительно нас, просто обогнет в разной степени чд и сомкнется перед ней, мне кажется на таком растоянни нереально чтобы чд отбросила хоть какуюто тень
      • +1
        Картинка с Астронета
        image
        По самому центру, должно быть, изображение самого объекта. Или изображение вещества, который заслонил объект.
      • +1
        Что слышно о «Радиоастрон»? Давно уже запустили. В вики написали что достигнута разрешение в 8микросекунд. И ничего. Тишина
        • 0
          В той же вики есть глава «Научные результаты». Даже в научпоп периодике я где-то видел снимки (давно правда).
          Так что, я полагаю, работает, чего-то снимает, статьи какие-то пишутся. Просто массовой периодике это уже не интересно.
          • +1
            Не умеют наши в пиар. Нарисовали бы несколько красивых рисунков, накатали бы статью о величии православной науки.
            • 0
              Кто «наши» и куда они должны были «пиарить»? И причем тут международный проект со значительным участием РФ и какая-то «православная наука» и ее «величие»???
              Я совсем не понял вашего комментария.
        • 0
          А почему ЧД должна быть тёмной?
          Скорость падения вещества на ЧД для внешнего наблюдателя постоянно уменьшается, и ГС падающее вещество для внешнего наблюдателя никогда не достигнет. То есть для нас оно падает вечно, и излучает вечно. Одновременно с приближением к ГС уменьшается длина волн излучений, исходящих от вещества, и процесс насколько я понимаю, равномерный, потому светить должно по всем диапазонам равномерно (если ничего очень массивного не падало одним куском). То есть ЧД, на мой взгляд, это довольно яркий объект (не как звезда, но и явно не черный круг), светящий равномерно во всех диапазонах.
          Или я где-то неправ?
          • 0
            Только, при падении длина волны будет увеличиваться, мы будем видеть красное смещение.
            • 0
              С одной стороны да, с другой при образовании диска он начинает светиться из-за внутреннего трения.
              И на каком-то радиусе будет максимум — когда красное смещение станет сильней роста температуры.
              • 0
                Зачем же говорить «начинает светиться от внутреннего трения»? Намного понятнее звучит «после ионизации атомов заряды начинают двигаться с ускорением, что вызывает электромагнитное излучение»:)
                • 0
                  движение в гравитационном поле хоть и с ускорением, но без электромагнитного излучения.
                  А вот механические столкновения атомов как раз его и вызывают.
                  • 0
                    Любое ускоренное движение [заряда] вызывает излучение (по крайней мере, пока это не масштаб величин импульса и размера траектории порядка h/2/pi).
                    А механическое столкновение может что-то вызвать, если кинетической энергии достаточно для любого возбуждения электрона на свободный уровень (с энергией большей, то есть что бы мог перейти на ещё один свободный или тот самый).
                    • 0
                      Гравитационное поле — не сила, а искривление пространства.
                      Свободно падающий электрон — не излучает.

                      А скорость во внутренней зоне диска околосветовая. Так что там совсем плазма.
                      • 0
                        Гугл мне нашел такой коммент:
                        В гравитационных полях уравнения Максвелла тоже меняются.

                        P.S. Хорошо, я и не предлагаю возле ЧД свободного падения. Совершенно произвольные электрические и магнитные поля в плазме — такой источник ускорения заряда Вам подойдет (да, вероятно эта силы будет во много раз меньше силы гравитации возле коспактного обьъекта)?
            • +2
              Предположу, что аккреционный диск вокруг ЧД в центре Галактики лежит в плоскости Галактики, и вращается в ту же сторону, в которую закручиваются её рукава. А значит диск будет расположен к нам ребром, и ярче будет сторона, от которой раскручивается звёздная спираль.
              • 0
                Мощного аккреционного диска в данный момент нет.
                А когда подлетает очередная звезда — она формирует диск в плоскости своего вращения, это как повезёт. И если что осталось от предыдущего поглощается новым.

              Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.