Самые загадочные космические объекты: в чем главный секрет черных дыр

Впервые предсказанные еще в конце XVIII века, описанные Теорией относительности в начале ХХ века черные дыры чересчур малы или слишком далеки для того, чтобы их можно было различить с помощью обычных телескопов. Но с совершенствованием науки и техники у нас появились и более продвинутые телескопы, которые способны фиксировать сигналы в различных диапазонах длин волн. Это и сделало возможным наблюдение черных дыр.

Сверхмассивная черная дыра Стрелец А* в центре нашей Галактики насчитывает около 4 миллионов масс Солнца, упакованных в пространстве радиусом меньше орбиты Меркурия. Для наблюдения за ней несколько лет назад был запущен громадный радиоинтерферометр EHT – «телескоп горизонта событий» размером с Землю. При помощи этого инструмента ученые хотели выяснить, как устроена черная дыра в центре нашей галактики.

Но первой добычей нового инструмента оказалась сверхмассивная черная дыра галактики M87. Она расположена в тысячи раз дальше Стрельца А*, зато и в тысячи раз крупнее него. Обработка полученных еще в 2017 году данных заняла около двух лет, однако дело того стоило: «Это как заглянуть во врата ада, за пределы пространства и времени», – описал свои впечатления один из авторов этой грандиозной работы. Давайте полюбопытствуем вместе.

Галактика M87, одна из крупнейших в Местном сверхскоплении галактик, расположена на расстоянии около 54 млн световых лет. Сверхмассивная черная дыра M87* в ее центре насчитывает 6,5 млрд масс Солнца и ежедневно поглощает 90 масс Земли (одну массу Солнца примерно за 10 лет).

Каким бы простым не казалось устройство этого «звездного водостока», на самом деле у черной дыры есть несколько частей — некоторые мы можем видеть напрямую, другие — лишь предсказать теоретически. Итак, взглянем на состав типичной черной дыры.

Горизонт событий – воображаемая линия, оказавшись за которой ничто не может вернуться обратно. Горизонт событий черной дыры имеет характерный размер – гравитационный радиус. Пересекая его, все объекты уходят за пределы наблюдаемой Вселенной, исчезая в сингулярности. Гравитационный радиус черной дыры M87* составляет 0,019 светового года, более чем в сто раз превышая орбиту Земли.

Аккреционный диск материи, падающей в черную дыру: ускоряясь и раскаляясь, вещество активно излучает в широком диапазоне волн, позволяя увидеть если не саму дыру, то ее ближайшие окрестности. Аккреционный диск сверхмассивной черной дыры M87* тянется на 0,4 светового года – в тысячи раз дальше орбиты Плутона.

Релятивистские струи появляются при взаимодействии аккрецирующей плазмы с магнитными полями. Часть вещества на околосветовой скорости выбрасывается из полюсов диска двумя узкими противоположно направленными потоками. Сверхмассивная черная дыра M87* выбрасывает джеты длиной до 5000 световых лет. Один из них направлен в нашу сторону и виден в оптическом диапазоне.

Фотонная сфера образуется светом, оказавшимся на круговой орбите вокруг черной дыры. Положение попавших сюда частиц неустойчиво, и, совершив один или несколько оборотов, они неизбежно падают в недра дыры или уходят по спирали в космическое пространство.

На изображении черная дыра тоже не похожа на затягивающий в себя звездное вещество слив раковины, как ее иногда рисуют. На самом деле даже на фотографии черной дыры можно различить несколько ее основных частей, исследование которых может дать много информации об это загадочном объекте.

Тень дыры возникает из-за искривления траектории фотонов, пролетающих невысоко над сферой горизонта событий. Ее размеры примерно в 2,6 раза больше гравитационного радиуса черной дыры.

Обратная сторона аккреционного диска видна из-за мощного гравитационного линзирования. Некоторые фотоны с противоположной стороны черной дыры огибают сферу горизонта событий, и становятся видны дальние стороны аккреционного диска – верхняя и нижняя.