Гаргантюа черная. Жуткая красота: сверхмассивные чёрные дыры. Что же такое квазар

Наука

Недавно вышедший на экраны визуально-захватывающий фильм "Интрестеллар" основывается на реальных научных понятиях , таких как вращающиеся черные дыры, кротовые норы и расширение времени .

Но если вы не знакомы с этими понятиями, то возможно, слегка запутаетесь во время просмотра.

В фильме команда космических исследователей отправляется во внегалактическое путешествие сквозь кротовую нору . На другой стороне они попадают в иную Солнечную систему с вращающейся черной дырой вместо звезды.

Они находятся в гонке с пространством и временем, чтобы выполнить свою миссию. Такое космическое путешествие может показаться слегка запутанным, но оно основывается на основных принципах физики.

Вот основные 5 понятий физики , которые нужно знать, чтобы понять "Интерстеллар":

Искусственная гравитация

Самой большой проблемой, с которой сталкиваемся мы, люди, при длительных космических путешествиях, является невесомость . Мы родились на Земле, и наше тело приспособилось к определенным гравитационным условиям, но когда мы находимся в космосе длительное время, наши мышцы начинают ослабевать.

С этой проблемой сталкиваются и герои в фильме "Интерстеллар".

Чтобы справиться с этим, ученые создают искусственную гравитацию в космических кораблях . Одним из способов сделать это - раскрутить космический корабль, как в фильме. Вращение создает центробежную силу, которая отталкивает объекты к внешним стенкам корабля. Это отталкивание похоже на гравитацию, только в обратном направлении.

Такую форму искусственной гравитации вы испытываете, когда едете вокруг кривой малого радиуса и вам кажется, что вас отталкивает наружу, от центральной точки кривой. Во вращающемся космическом корабле стены для вас становятся полом.

Вращающаяся черная дыра в космосе

Астрономы, хотя и косвенно, наблюдали в нашей Вселенной вращающиеся черные дыры . Никто не знает, что находится в центре черной дыры, но у ученых есть для этого название – сингулярность .

Вращающиеся черные дыры искажают пространство вокруг себя по-иному в отличие от неподвижных черных дыр.

Этот процесс искажения называется "увлечение инерциальных систем отсчёта" или эффект Лензе-Тирринга, и оно влияет на то, как будет выглядеть черная дыра, искажая пространство, и что более важно пространство-время вокруг нее. Черная дыра, которую вы видите в фильме, достаточно сильно приближена к научному понятию .

• Космический корабль "Эндюранс" направляется к Гаргантюа - вымышленной сверхмассивной черной дыре массой в 100 миллион раз больше Солнца.
• Она находится на расстоянии 10 миллиардов световых лет от Земли, и вокруг нее вращается несколько планет. Гаргантюа вращается с поразительной скоростью 99,8 процентов от скорости света.
• Аккреционный диск Гарагантюа содержит газ и пыль с температурой поверхности Солнца. Диск снабжает планеты Гаргантюа светом и теплом.

Сложный вид черной дыры в фильме связан с тем, что изображение аккреционного диска искривлено гравитационным линзированием. На изображении появляется две дуги: одна образуется над черной дырой, а другая под ней.

Кротовая нора

Кротовая нора или червоточина, которую использует экипаж в "Интерстеллар" – это одно из явлений в фильме, существование которого не доказано . Она гипотетическая, но очень удобная в сюжетах научно-фантастических историй, где нужно преодолеть большое космическое расстояние.

Просто кротовые норы – это своего рода кратчайший путь сквозь пространство . Любой объект с массой создает норку в пространстве, что означает, что пространство можно растягивать, деформировать и даже складывать.

Червоточина - это как складка на ткани пространства (и времени), которая соединяет две очень далекие области, что помогает космическим путешественникам преодолеть большое расстояние за короткий период времени .

Официальное название кротовой норы – "мост Эйнштейна-Розена", так как впервые она была предложена Альбертом Эйнштейном и его коллегой Натаном Розеном в 1935 году.

• В двухмерных диаграммах устье кротовой норы показано в виде круга. Однако, если бы мы могли увидеть кротовую нору, она бы выглядела, как сфера.
• На поверхности сферы был бы виден гравитационно искаженный вид пространства с другой стороны "норы".
• Размеры кротовой норы в фильме: 2 км в диаметре и расстояние переноса - 10 миллиардов световых лет.

Гравитационное замедление времени

Гравитационное замедление времени – это реальное явление, наблюдаемое на Земле. Оно возникает потому, что время относительно . Это означает, что оно течет по-разному для различных систем координат.

Когда вы находитесь в сильной гравитационной среде, время течет медленнее для вас по сравнению с людьми, находящимися в слабой гравитационной среде.

На вопрос Что находится в центре "Млечного Пути"? Черная дыра или Огромная звезда? заданный автором Прострогать лучший ответ это Черная дыра. Впрочем, есть гипотеза, что даже двойная черная дыра.

Ответ от шеврон [гуру]
Для внешнего наблюдателя сжатие звезды в чёрную дыру никогда не заканчивается, поэтому абсолютно точно сказать нельзя. Но косвенные данные - очень большая масса и очень маленький размер ссылка говорят о том, что это, скорее всего, чёрная дыра.
Изображение, размером 400 на 900 световых лет, составленное из нескольких фотографий телескопа «Чандра» , с сотнями белых карликов, нейтронных звёзд и чёрных дыр, в облаках газа, раскалённого до миллионов градусов. Внутри яркого пятна в центре изображения находится сверхмассивная чёрная дыра галактического центра (радиоисточник Стрелец A*). Цвета на снимке соответствуют рентгеновским энергетическим диапазонам: красный (низкая) , зелёный (средняя) и синий (высокая).
Галактический центр находится на расстоянии 8,5 кпк от Солнечной системы, в направлении созвездия Стрельца. В галактической плоскости сосредоточено большое количество межзвёздной пыли, благодаря которой свет, идущий от галактического центра, ослабляется на 30 звёздных величин, то есть в 1012 раз. Поэтому центр невидим в оптическом диапазоне - невооружённым глазом и при помощи оптических телескопов. Галактический центр наблюдается в радиодиапазоне, а также в диапазонах инфракрасных, рентгеновских и гамма-лучей.
16 октября 2002 международная исследовательская группа Института Макса Планка в главе с Райнером Шёделем сообщила о наблюдениях движения звезды S2 вокруг объекта Стрелец A* за десять лет. Наблюдения доказывали, что Стрелец A* - объект огромной массы. По анализу элементов орбиты было определено, что масса объекта составляет 2,6 ± 0,2 миллионов масс Солнца, эта масса заключена в объёме не более 17 световых часов (120 а. е.) в диаметре. Последующие наблюдения установили более точное значение массы - 3,7 миллионов масс Солнца, а радиус не более 6,25 световых часов (45 а. е.). Для сравнения: орбита Плутона отстоит от Солнца на 5,51 световых часов.
Эти наблюдения позволили предположить, что объект Стрелец A* связан с чёрной дырой.
В ноябре 2004 была открыта чёрная дыра средней массы, которая двигалась по орбите на расстоянии трёх световых лет вокруг объекта Стрелец A*. Масса этой чёрной дыры составляет 1300 масс Солнца, кластер из семи звёзд, возможно, остаток прежнего массивного звёздного кластера. Это открытие позволяет сделать вывод о том, что сверхмассивные чёрные дыры растут, поглощая окрестные малые чёрные дыры и звёзды.
В декабре 2008 исследователи из Института внеземной физики Макса Планка опубликовали уточнённые данные о массе предполагаемой сверхмассивной чёрной дыры по результатам наблюдений за 16 лет. Она составила 4,31 ± 0,06 миллионов масс Солнца. Рейнхард Генцель (нем. Reinhard Genzel), руководитель группы, отметил, что это исследование является лучшим опытным свидетельством существования сверхмассивных чёрных дыр.

Ответ от Бросок [гуру]
Я читал, что черная дыра...

Ответ от Ѕадиджа [гуру]
В центре находится квазар-сверхмассивная чёрная дыра.

Ответ от Лариса Крушельницкая [гуру]
По нонешним представлениям в центре галактики находится чёрная дыра массой примерно 4 300 000 масс Солнца. Было это установлено при помощи инфракрасных интерферометров, которым удалось засечь в непосредственной близости от центра галактики звёзды, вращающиеся вокруг свермассивного невидимого объекта. По траекториям движения звёзд удалось достаточно точно вычислить массу объекта и верхний предел его размеров (по мамксимальному приближению звёзд к тяготеющему центру). По всем расчётам это чёрная дыра, потому что скопление обычных объектов малой светимости в таком малом пространстве невозможно, под действием гравитации они неизбежно слились бы в один объект.
В гарвардской базе данных статей по астрономии и астрофизике () статьи на эту тему исчисляются сотнями. Вот, например:
Gillessen, S.; Eisenhauer, F.; Trippe, S.; Alexander, T.; Genzel, R.; Martins, F.; Ott, T. Monitoring Stellar Orbits Around the Massive Black Hole in the Galactic Center // The Astrophysical Journal. - 2009. - Vol. 692. - С. 1075-1109.

Ответ от Ўрец [гуру]
В центре нашей галактики две чёрные дыры разных размеров. Вторая чёрная дыра вызвана поглащением Млечным Путём более мелкой галактики в прошлом.

Ответ от Боб блинский [гуру]
Исследование квазаров и активных галактик на окраинах Вселенной позволили астрономам выдвинуть гипотезу, что большинство галактик содержат в центрах массивные черные дыры. Звезды, движущиеся по спиралям, и мощное переменное радиоизлучение предполагают наличие даже в центре нашей Галактики, т. е. на расстоянии около 30 тысяч световых лет, похожего удивительного объекта Если массивная черная дыра действительно скрывается там, то центр Галактики должен быть источником рентгеновских лучей, которые ранее не были открыты. Теперь же отсутствующие ранее рентгеновские лучи были обнаружены! Благодаря высокочувствительной обсерватории Чандра

Ответ от Александр [гуру]
собственно говоря, чёрная дыра - тоже звезда.

Ответ от Алексашка [гуру]
Вся Галактика Млечный Путь вращается вокруг собственной оси, из-за чего возникают спирали и рукава, в которых скапливается звездная пыль, из которой под воздействием гравитации постепенно формируются звезды, планеты, астероиды и прочие тела. Наша Солнечная система находится в одном из самых отдаленных рукавов галактики.
По теории астрофизики, вращение всех тел обусловлено взаимной гравитацией. Все небесные тела нашей галактики вращаются вокруг какого-то сверх-тяжелого объекта (элемента). Вероятно, даже Черная дыра (двойная, тройная или иная) неспособна вызвать вращение вокруг себя всех небесных тел нашей галактики, на которые влияет данная гравитация. Ученые до сих пор не могут этого объяснить.
Есть масса разных теорий и предположений, в основе которых лежит сверхтяжелый элемент, который притягивает к себе всю остальную материю, ибо даже черная дыра вращается не только вокруг своей оси, притягивая всю остальную материю по нисходящей к ней спирали, но так же она вращается вместе со всеми телами нашей Галактики, приближаясь к центу Галактики в силу взаимного притяжения. Ибо чем больше тел приближается к центру, тем больше возрастает гравитация, тем сильнее ускоряется вращение тел и их стремление к точке сосредоточения.
Следовательно, Черная дыра или их скопление не может являться центром галактики.
Другие галактики Вселенной также вращаются относительно друг друга, и так же по спирали, постепенно либо притягиваясь, либо отталкиваясь друг от друга. В каждой галактике существуют свои черные дыры, которые влияют на перемещение объектов, близких к ним.
Но ВСЕ стремится либо ВНУТРЬ вселенной (по одной теории) , либо от НЕЕ (Теория Большого взрыва).
Более точные данные наша наука дать пока не в силах.

Чёрная дыра возникает в результате коллапса сверхмассивной звезды, в ядре которой заканчивается «топливо» для ядерной реакции. По мере сжатия температура ядра повышается, а фотоны с энергией более 511 кэВ, сталкиваясь, образуют электрон-позитронные пары, что приводит к катастрофическому снижению давления и дальнейшему коллапсу звезды под воздействием собственной гравитации.

Астрофизик Этан Сигел (Ethan Siegel) опубликовал статью «Крупнейшая чёрная дыра в известной Вселенной» , в которой собрал информацию о массе чёрных дыр в разных галактиках. Просто интересно: где же находится самая массивная из них?

Поскольку наиболее плотные скопления звёзд - в центре галактик, то сейчас практически у каждой галактики в центре находится массивная чёрная дыра, образованная после слияния множества других. Например, в центре Млечного пути есть чёрная дыра массой примерно 0,1% нашей галактики, то есть в 4 млн раз больше массы Солнца.

Определить наличие чёрной дыры очень легко, изучив траекторию движения звёзд, на которые воздействует гравитация невидимого тела.

Но Млечный путь - относительно маленькая галактика, которая никак не может иметь у себя самую большую чёрную дыру. Например, недалеко от нас в скоплении Девы находится гигантская галактика Messier 87 - она примерно в 200 раз больше нашей.

Так вот, из центра этой галактики вырывается поток материи длиной около 5000 световых лет (на фото). Это сумасшедшая аномалия, пишет Этан Сигел, но выглядит очень красиво.

Учёные считают, что объяснением такого «извержения» из центра галактики может быть только чёрная дыра. Расчёт показывает, что масса этой чёрной дыры где-то в 1500 раз больше, чем масса чёрной дыры в Млечном пути, то есть примерно 6,6 млрд масс Солнца.

Но где же во Вселенной самая большая чёрная дыра? Если исходить из расчёта, что в центре почти каждой галактики имеется такой объект с массой 0,1% от массы галактики, то нужно найти самую массивную галактику. Учёные могут дать ответ и на этот вопрос.

Самая массивная из известных нам - галактика IC 1101 в центре скопления Abell 2029, который находится от Млечного пути в 20 раз дальше, чем скопление Девы.

В IC 1101 расстояние от центра до самого дальнего края - около 2 млн световых лет. Её размер вдвое больше, чем расстояние от Млечного пути до ближайшей к нам галактики Андромеды. Масса почти равняется массе всего скопления Девы!

Если в центре IC 1101 есть чёрная дыра (а она должна там быть), то она может быть самой массивной в известной нам Вселенной.

Этан Сигел говорит, что может и ошибиться. Причина - в уникальной галактике NGC 1277. Это не слишком большая галактика, чуть меньше нашей. Но анализ её вращения показал невероятный результат: чёрная дыра в центре составляет 17 млрд солнечных масс, а это аж 17% общей массы галактики. Это рекорд по соотношению массы чёрной дыры к массе галактики.

Есть и ещё один кандидат на роль самой большой чёрной дыры в известной Вселенной. Он изображён на следующей фотографии.

Странный объект OJ 287 называется блазар . Блазары - особый класс внегалактических объектов, разновидность квазаров. Они отличаются очень мощным излучением, которое в OJ 287 меняется с циклом 11-12 лет (с двойным пиком).

По мнению астрофизиков, OJ 287 включает в себя сверхмассивную центральную чёрную дыру, по орбите которой вращается ещё одна чёрная дыра меньшего размера. Центральная чёрная дыра в 18 млрд масс Солнца - самая большая из известных на сегодняшний день.

Эта парочка чёрных дыр станет одним из самых лучших экспериментов для проверки общей теории относительности, а именно - деформации пространства-времени, описанной в ОТО.

Из-за релятивистских эффектов перигелий чёрной дыры, то есть ближайшая к центровой чёрной дыре точка орбиты, должен смещаться на 39° за один оборот! Для сравнения, перигелий Меркурия сместился всего на 43 арксекунды за столетие.

Линзирование быстровращающейся черной дыры – Гаргантюа

Пространственный вихрь, образующийся из-за огромной скорости вращения Гаргантюа, влияет на гравитационное линзирование. Звездный узор на рис. 8.1 (Гаргантюа) заметно отличается от изображенного на рис. 8.4 (невращающаяся черная дыра), а эффект при движении камеры отличается еще больше.

Для Гаргантюа (рис. 8.5) при движении камеры проявляются два кольца Эйнштейна, обозначенных на рисунке фиолетовыми замкнутыми кривыми. Снаружи внешнего кольца звёзды «движутся» вправо (в частности, вдоль двух пар красных кривых), так же как и для невращающейся черной дыры на рис. 8.4. Однако у заднего края тени пространственный вихрь сжимает поток движения в узкие полосы, которые довольно резко изгибаются у экватора, и ускоряет его. Также вихрь образует в потоке «водовороты» (замкнутые красные кривые).

Рис. 8.5. Эффект перетекания звезд рядом с быстровращающейся черной дырой, подобной Гаргантюа, «вид через камеру». В этой модели студии Double Negative дыра вращается со скоростью в 99,9 процента от предельной, а камера движется по круговой экваториальной орбите, окружность которой в шесть раз превышает окружность горизонта. См. видеоролик на странице Interstellar.withgoogle.com

Вторичное изображение каждой звезды появляется в области между кольцами Эйнштейна, и циркулирует вдоль замкнутой кривой (пример – две желтые кривые), двигаясь при этом в направлении, противоположном красным потокам снаружи внешнего кольца.

Здесь есть две особенные звезды, для которых гравитационное линзирование не действует. Одна из них расположена прямо над северным полюсом Гаргантюа, другая – прямо под южным. Это аналоги Полярной звезды, которая расположена прямо над Северным полюсом Земли. Я нарисовал пятиконечные звездочки рядом с первичными (красная звездочка) и вторичными (желтая) изображениями полярных звезд Гаргантюа. С Земли кажется, будто все звезды циркулируют вокруг Полярной звезды – поскольку мы вращаемся вместе с Землей. Аналогично по мере движения камеры по орбите вокруг дыры все первичные изображения звезд рядом с Гаргантюа циркулируют вокруг первичных изображений полярных звезд, но пути их движения (например, две замкнутые красные кривые) сильно искажены пространственным вихрем и гравитационным линзированием. Тем же образом вторичные изображения звезд циркулируют вокруг вторичных изображений полярных звезд (например, вдоль двух желтых кривых).

Почему в случае невращающейся черной дыры (рис. 8.4) кажется, что вторичные изображения звезд возникают из-за тени черной дыры, огибают ее и возвращаются обратно к тени, а не циркулируют вдоль замкнутых кривых, как в случае Гаргантюа (рис. 8.5)? На самом деле они все же циркулируют вдоль замкнутых кривых, но внутренний край этих кривых находится так близко к краю тени, что его невозможно увидеть. Вращение Гаргантюа завихряет пространство, и этот вихрь сдвигает внутреннее кольцо Эйнштейна наружу, проявляя его и показывая полный путь движения вторичных изображений (желтые кривые на рис. 8.5).

В пределах внутреннего кольца Эйнштейна движения узора звезд еще более сложны. Звезды в этой области являются изображениями третьего и более высоких порядков для всех звезд во Вселенной – звезд, первичные изображения которых видны снаружи внешнего кольца Эйнштейна, а вторичные – между внутренним и внешним кольцами.

На рис. 8.6 выделено пять участков экваториальной плоскости Гаргантюа, сама Гаргантюа показана черным, орбита камеры – фиолетовым пунктиром, а луч света – красным. Этот луч формирует для камеры изображение звезды, на которую указывает синяя стрелка. Камера движется вокруг Гаргантюа против часовой стрелки.

Рис. 8.6. Лучи света, формирующие изображения звезд, на которые указывают синие стрелки (Модель Double Negative, та же, что на рис. 8.1 и 8.5.)

Последовательно изучая эти рисунки, можно многое понять о гравитационном линзировании. Имейте в виду: действительное направление к звезде – вверх и вправо (внешние концы красных лучей). Стрелка, идущая от значка камеры, указывает на изображение звезды. Десятеричное изображение находится очень близко к левому краю тени, а правое вторичное изображение – рядом с правым краем; сравнивая направления камеры для этих изображений, можно увидеть, что тень покрывает примерно 150 градусов направления вверх, несмотря на то что действительное направление от камеры к центру Гаргантюа – влево и вверх. Эффект гравитационного линзирования сдвинул тень относительно действительного направления к Гаргантюа.