Новите тайни на черните дупки

Как се образуват черните дупки?
Все още не сме напълно сигурни как са се появили супермасивните черни дупки, дебнещи в средата на галактиките, като Поуехи в М87. Някои теории ги свързват с първите звезди във Вселената, а други отдават появата им на "ореол на черна материя". Знаем обаче доста добре как се образуват звездните черни дупки…

Умираща звезда
Щом звездата изчерпи горивото си, тя умира за един-два дни. По-малките звезди като Слънцето се раздуват и образуват червени гиганти и бели джуджета, а 10 пъти по-големите звезди се превръщат в свръхнови, преди да станат черни дупки.

Свръхнова
Когато звездата остане без гориво, насоченото навън налягане на ядрената реакция вече не може да се противопостави на собствената гравитация на звездата. Останалият материал се сгъстява, избухва като свръхнова и се разпръсва из Космоса.

Колапс
След мощната експлозия гравитацията започва да събира останалия материал. Тези гравитационни сили смачкват всичко до сингулярност – точка с почти нулев обем, но с безкрайна маса, затова и с безкрайна плътност.

Черна дупка
Цялата тази маса е събрана в безкрайно малка точка, затова гравитацията на сингулярността е толкова силна, че нищо, включително и светлината, не може да се измъкне от привличането ѝ. Получава се обект, познат ни като черна дупка.Маркъс Чоун
Сряда, 10 април, беше епохален момент в историята на науката. На шест едновременни пресконференции по целия свят международен екип астрономи показа първата снимка на черна дупка. "Това беше един от най-вълнуващите дни в живота ми – казва Фериал Йозел от университета на Аризона в Тусон, която оглавява екипа на модела. – За мен това е кулминацията на почти две десетилетия работа."

Всъщност екипът наблюдава две черни дупки: Стрелец А*, супермасивна черна дупка в нашия Млечен път, чиято маса е 4,3 милиона пъти по-голяма от тази на Слънцето, и неин братовчед в галактика М87, която е около 1000 пъти по-голяма. Първата показана снимка е на супермасивната черна дупка в сърцевината на М87. Стрелец А* е по-малка, заобиколена е от материя и затова изображението е замъглено.

Снимката на черната дупка в М87, кръстена Поуехи, показва детайл, който е по-малък от хоризонта на събитията. Това е границата, от която няма връщане назад за привлечената светлина и материя. Различаването на такива изключителни подробности е възможно заради невероятно силната гравитация. Тя действа като леща и изображението се вижда пет пъти по-голямо от хоризонта на черната дупка.

Хоризонтът в М87 се вижда като тъмна сянка на по-светъл фон от радиовълни, излъчени от нажежената до бяло материя, въртяща се в акреционния диск (газ и прах в орбита около обекта) на черната дупка. Едната страна на ореола е по-ярка. "Това е така, понеже акреционният диск се върти и светлината от частта, която идва към нас е по-ярка от другата" – обяснява Йозел.

Забележителната снимка на М87 е получена от Телескопа на хоризонта на събитията (ТХС), който представлява множество събрани заедно радиотелескопи, за да се получи симулация на гигантски уред с размерите на Земята. Наличието на толкова голям телескоп е ключово за получаване на изображение на нещо толкова малко, колкото черна дупка, тъй като резолюцията на такъв телескоп зависи от максимално далечното разстояние между отделните му части.

Точни предсказания
Забележително е, че физици като Йозел постигат такива успехи и че изображението на черната дупка в М87 е толкова близо до онова, което са очаквали да видят. Сред физиците това е причина за радост, но обикновените хора надали ще бъдат толкова впечатлени. "Ние сме жертви на собствения си успех – признава Йозел. – Филмовите симулации, базирани на предсказанията на учените, се оказаха доста сполучливи. Но те не са истински. Разликата е, че днес вече виждаме истинска черна дупка."

Йозел казва, че е "на седмото небе" да бъде част от екипа, получил първото изображение на черна дупка, но в същото време изпитва огромно облекчение. "Предсказанията ни можеше да се окажат напълно погрешни. За щастие, доказахме, че физиката не бърка!"

Снимката на ядрото на М87 разкрива и масата на черната дупка. Всеки 6 км от диаметъра на нейния хоризонт на събитията съответства на масата на Слънцето. Следователно измерването на ширината на дупката и като се знае на какво разстояние е тя от Земята, показва, че масата ѝ е 6,5 милиарда пъти по-голяма от слънчевата. "Това съвпада перфектно с предположенията каква е масата, направени на базата на скоростта, с която черната дупка увлича близките звезди – казва Йозел. – Това я нарежда сред челните 10 процента на черните дупки по маса."

Но може би най-забележителното в изображението е ясният "фотонен пръстен", очертаващ вътрешната граница на гевречето от светлина около дупката. Това е моментът, в който светлината попада отвъд хоризонта на събитията и никога повече няма да бъде видяна във Вселената. Хейно Фалке от екипа на ТХС от университета "Радбауд" в Неймеген, Холандия, представя нещата в перспектива: "Видяхме портите на ада в края на пространството и времето".

"Дупката е част от нашата Вселена, постоянно скрита от поглед – обяснява Йозел. – Място, до което физиката в момента не може да достигне."

Най-доброто описание на черна дупка дава теорията на относителността на Айнщайн. Но Общата теория на относителността вероятно само се доближава до една по-съвършена теория, тъй като нейните правила не действат в средата на черна дупка, където предрича някаква причудлива точка на безкрайна плътност. Подобна "сингулярност" е скрита зад хоризонта на събитията. Стивън Хокинг предполага, че Общата теория на относителността престава да действа на хоризонта на събитията на черна дупка и че всъщност това не е линията, отвъд която няма връщане, както всички смятат.

"Не сме видели някой да предложи различно обяснение от теорията на Айнщайн – казва Йозел, - но едно по-точно описание ще е от изключително значение."

Айнщайн всъщност никога не е вярвал в съществуването на черни дупки и сигурно щеше да е доволен, че теорията му е вярна, но и изумен, че подобно кошмарно предсказание ще се окаже истина.

 

"Фактът, че формулираната през 1915 г. теория на Айнщайн описва с такава точност случващото се в такава екстремна среда, е триумф на науката – казва Йозел. – Доскоро обаче хоризонтът на черната дупка беше просто математическа формула на лист хартия. Вече е истинско нещо в една реална Вселена."

Анатомия на черната дупка

1. Акреционен диск
Това е частта от черната дупка, която издава местоположението ѝ. Звезди, газ и какъвто и да е друг материал, попаднал в него, се движи по спирала към центъра със светкавична скорост. Отделя се огромно електромагнитно излъчване, което можем да засечем от Земята.

2. Релативистични струи
Най-добрите модели предполагат, че черните дупки усукват тъканта на време-пространството. Този ефект създава магнитни полета, които ускоряват частиците почти до скоростта на светлината. В същото време на екватора на черната дупка се образува двойна магнитна "магистрала". Това причинява усукване и оплитане на линиите на магнитните полета и се получава нов ефект на ускорител на частици.

3. Фотонна сфера
Когато материята се доближава до хоризонта на събитията, тя започва да излъчва фотони (частиците на светлината). Обикновено те се движат по права линия, но близо до черна дупка гравитацията изкривява линията на движение на фотоните, така че се наблюдава ярък пръстен около сферична "сянка".

4. Вътрешна стабилна орбита
Това е вътрешният ръб на акреционния диск. Отвъд него материята вече не се движи по орбита, а преминава зад точката, от която няма връщане.

5. Хоризонт на събитията
Оттук започва черната част на черната дупка. Зад тази точка материята вече не може да се изплъзне от черната дупка. По-точно, за да се измъкне, е нужна скорост, по-висока от тази на светлината.

6. Сингулярност
Цялата материя и енергия, увлечени от черната дупка, се озовават тук, в центъра ѝ. Огромни количества материя и енергия са смачкани в безкрайно малко пространство, което поражда гравитационното привличане на черната дупка. Световноизвестният теоретичен физик (и научен консултант на филма "Интерстелар") Кип Торне описва сингулярността като "мястото, където законите на физиката не важат".

Текстът е публикуван в брой 28/2019 г. на списание "Икономист", който може да купите в разпространителската мрежа. Вижте какво още може да прочетете в броя.