Чёрные дыры: тишина которая кричит
Anish Kapoor, «Descent into Limbo», 1992. Фото: Filipe Braga / Fundação de Serralves
Саша (Александр) Плавин
alexander@plav.in · https://plav.in
Чёрные дыры:
Чёрные – или яркие?
Обычное ночное небо: луна и звёзды
Если небо совсем тёмное — видно полосу
Кусочек этой полосы — в телескоп
Те же звёзды. Просто дальше — и их очень много
Увеличили ещё:
что здесь звёзды, а что нет?
Есть особые галактики
Намного ярче, намного дальше —
Светит центр
Один крошечный объект ярче всех звёзд галактики.
Вещество падает не прямо, а по спирали
Слои трутся друг о друга и раскаляются добела
Светит не чёрная дыра —
Перед тем как засосать, чёрная дыра разгоняет вещество и раскаляет его.
Чёрные дыры:
И тёмные, и яркие
Как они выглядят?
Возле чёрной дыры видно то, Почему мы так уверены?
Солнце: тоже искривляет свет
хоть и всего на 2 угловых секунды
Гравитация искривляет свет,искривляет очень сильно
отклонение α ~ M r
M r α Чёрные дыры:
И тёмные, и яркие
Искривляют свет со всех сторон
Что же это такое?
У науки есть точный ответ
R μν − ½ R g μν = 8πG c ⁴T μν
Альберт Эйнштейн, ноябрь 1915
ds ² = −(1 − 2GM c ²r c ²dt ² + dr ² 1 − 2GM c ²r r ²(dθ² + sin²θ dφ²)
Карл Шварцшильд, декабрь 1915
2GM /c ² V r Предсказал и описал Карл Шварцшильд, 1915 год
Wikimedia Commons, public domain
Что же такое чёрные дыры?
Что значит нельзя улететь?
У любой массы есть свой предельный размер
v 2 = √2GM /R
→
R = 2GM c ²
вторая космическая скорость
Земля ↓
9 мм
Солнце ↓
3 км
сверхмассивная чёрная дыра 12 млн км
NASA (Blue Marble); NASA/SDO; DNGR / © Warner Bros.; James et al. 2015, CC BY-NC-ND 3.0
Числа: Земля 5,97·10²⁴ кг → 8,9 мм; Солнце 2·10³⁰ кг → 2,95 км; сверхмассивная — 4 млн масс Солнца (как Sgr A* в центре нашей Галактики) → 12 млн км ≈ 17 радиусов Солнца, примерно пятая часть орбиты Меркурия. Чёрные дыры:
И тёмные, и яркие
Искривляют свет со всех сторон
«Оттуда не возвращаются»
Arthur Sasse — International News Service
“Every galaxy has got one big black hole in the middle,millions of smaller black holes ”
Откуда мы это знаем?
Как мы узнаём, что чёрные дыры существуют?
Слишком много массы в слишком малом объёме
и оттуда не приходит ни одного фотона
10⁹ 10⁶ 10³ Земля 700 000 000 белый карлик 2 000 чёрная дыра 1 Солнце 240 000 нейтронная звезда 3 во сколько раз объект больше своего пределаR = 2GM /c ² Шкала — то же R = 2GM/c², что выводили на занятии 2, только наоборот: делим настоящий размер на этот предел. Получается «во сколько раз объект ещё можно сжать». Вывод чисел (R / R_ЧД): Земля — 6371 км / 8,9 мм = 7,2·10⁸. Солнце — 696 000 км / 2,95 км = 2,4·10⁵. Белый карлик, Сириус B — 1,02 M☉, R ≈ 5900 км, предел 3,0 км → 2,0·10³. Нейтронная звезда — 1,4 M☉, R ≈ 12 км, предел 4,1 км → 2,9. Чёрная дыра — 1 по определению. Наши измерения на линейку тут НЕ ставим (они впереди, вместе с плитками), но если спросят: Sgr A* по орбитам звёзд — 4,3 млн M☉ внутри 120 а.е. (перицентр S2, 3 орбиты Плутона) → R/R_ЧД = 1400, то есть компактность всего лишь белого карлика; снимок EHT сжимает ту же массу до радиуса 0,21 а.е. (вдвое меньше орбиты Меркурия) → 2,5. M87* — 6,5 млрд M☉, кольцо 42 мкс дуги на 16,8 Мпк, радиус 353 а.е. → 2,75. Горизонт M87* (128 а.е.) больше орбиты Плутона, свет пересекает кольцо за 4 суток. Важная оговорка, если полезут в плотность: она обманывает. Внутри горизонта M87* средняя плотность ~0,4 кг/м³ — втрое реже воздуха, а у дыры в 30 M☉ ~2·10¹⁶ кг/м³. Одинаковы у них не плотность, а компактность: R/R_ЧД ≈ 1. Источники: GRAVITY Collaboration 2022 (масса Sgr A* и расстояние), EHT 2019 (M87*), EHT 2022 (Sgr A*, кольцо 51,8 мкс дуги), Maoz 1998 (рой тёмных тел такой плотности живёт меньше 10⁵–10⁶ лет — поэтому «просто много тёмных звёзд» не проходит). Наблюдения чёрных дыр
?
Прямой снимок: EHT Collaboration
Центр нашей Галактики: 20 лет наблюдений
ESO/MPE, NACO/VLT
За это дали Нобелевскую премию 2020
Роджер Пенроуз теорияРайнхард Гензель VLT, ЧилиАндреа Гез Keck, ГавайиПенроуз — за теорию: чёрные дыры обязаны получаться.
Wikimedia Commons: Mahdi Zamani/ESO, BorderlineRebel, Biswarup Ganguly
Наблюдения чёрных дыр
Прямой снимок: Звёзды вокруг чего-то невидимого EHT Collaboration · ESO/MPE, NACO/VLT
LIGO / Caltech / MIT / INFN
Наблюдения чёрных дыр
“Every galaxy has got one big black hole in the middle,
and millions of smaller black holes ”
Прямой снимок: Звёзды вокруг чего-то невидимого Гравитационные волны EHT Collaboration · ESO/MPE, NACO/VLT · SXS Lensing
Чёрные дыры:
И тёмные, и яркие
Искривляют свет со всех сторон
«Оттуда не возвращаются»
Они всё-таки существуют
Arthur Sasse — International News Service
