Одними из самых загадочных обитателей Вселенной являются черные дыры – объекты с гравитацией такой силы, что ничто, даже свет, не может вырваться из их «объятий». Долгие годы ученые лишь предполагали о существовании черных дыр а Альберт Эйнштейн и вовсе был убежден, что эти космические обитатели навсегда останутся невидимыми для нас. К счастью, открытие гравитационных волн в 2017 году изменило все: как бы парадоксально это не звучало, но черные дыры оказались одними из самых ярких объектов на просторах Вселенной. Все потому, что материя, притягиваемая черной дырой, создает видимое излучение – именно эту «тень» поглощаемой материи мы видим на облетевших весь мир снимках черных дыр. Но как именно материя погружается в черную дыру и что в этот момент происходит с самой тканью пространства-времени? Недавно физики нашли ответ на этот вопрос, подтвердив одно из ключевых предсказаний Эйнштейна о так называемых «водопадах» черных дыр. Рассказываем что это такое и какое значение имеет для дальнейших исследований.

Физики подтвердили, что ткань пространства-времени совершает «финальное погружение» на краю черной дыры. Изображение: symmetrymagazine.org

Альберт Эйнштейн вновь оказался прав: на краю черных дыр есть область, в которой материя больше не может оставаться на орбите и вместо этого «падает» внутрь.

Космическая лаборатория

Черные дыры – это области в космосе, где преобладает гравитация. Эти невидимые гиганты образуются, когда массивные звезды, исчерпав свое ядерное топливо, разрушаются под действием собственного огромного веса. Возникающее в результате этого гравитационное притяжение настолько велико, что ни один объект (и даже фотон) не способен покинуть горизонт событий (точку невозврата).

Черные дыры бывают разных размеров: от черных дыр звездной массы, которые в несколько раз массивнее Солнца, до сверхмассивных черных дыр, скрывающихся в сердцах галактик. Репутация у этих объектов довольно устрашающая, однако на самом деле черные дыры играют решающую роль в формировании Вселенной – они влияют на эволюцию и формирование галактик, а также являются своего рода уникальной лабораторией для проверки понимания фундаментальных законов физики.

Масса сверхмассивных черных дыр превышает массу Солнца в миллионы и миллиарды раз. изображение: Nasa.com

Несмотря на то, что основной рацион черных дыр состоит из газа и пыли, эти космические обитатели поглощают все, что оказывается поблизости, включая планеты, спутники и даже звезды. Это, однако, не означает, что черные дыры сродни космическим пылесосам – чтобы расти и питаться им на самом деле необходим большой яркий диск материи вокруг них.

Как черные дыры поглощают материю?

Сотрудник Университета Мейнут в Великобритании Джон Риган в интервью Live Science рассказал, что черные дыры могут «дрейфовать по галактикам» и лишь немногие из них в конечном итоге оказываются в плотной среде, богатой газом и пылью, где они могут начать набирать массу.

Вероятность того, что маленькая черная дыра окажется в такой среде довольно мала, поскольку большинство черных дыр образуются в областях космоса, где практически нет газа для питания, – говорит Риган.

Аккреционный диск черной дыры ярко светится. Изображение: images.interestingengineering.com

Более того, когда эти космические монстры окружены газом и пылью, они не сразу начинают притягивать к себе и немедленно поглощать. Вместо этого материя образует вокруг черной дыры плоскую, быстро движущуюся структуру – аккреционный диск. Внутри аккреционного диска материя сильно нагревается под действием гравитации и ярко светятся. Это делает обнаружение аккреционных дисков одним из самых простых способов для астрономов разглядеть черные дыры.

Черные дыры растут, когда материал быстро вращающегося диска постепенно перемещается от внешнего края диска к внутреннему краю, ближайшему к черной дыре. Оттуда он постепенно «подается» к горизонту событий черной дыры — точке, из которой не может вырваться ничто, даже фотоны самого света.

Водопады черных дыр

Недавно астрономы представили первое наблюдательное доказательство ключевого предсказания теории гравитации Эйнштейна относительно “водопадов” черных дыр, скрывающихся по всей Вселенной. Исследование подтверждает существование «погружающейся области» вокруг черных дыр, где материя перестает вращаться вокруг дыры и вместо этого падает прямо внутрь под воздействием мощнейших из когда-либо обнаруженных гравитационных сил.

Исследование проводилось под руководством доктора Эндрю Маммери и его коллег-физиков из Оксфордского университета в рамках их продолжающегося изучения самых таинственных обитателей космоса. Команда использовала рентгеновские данные, собранные с помощью космических телескопов NuSTAR (массив ядерных спектроскопических телескопов НАСА) и Neutron star Interior Composition Explorer (NICER), для изучения небольших черных дыр, расположенных относительно близко к Земле.

Черные дыры – самые загадочные обитатели космоса. Изображение: Nasa.com

Напомним, что теория гравитации Эйнштейна в отличие от теории Ньютона, предсказывает, что частицы не могут безопасно перемещаться по круговым орбитам достаточно близко к черной дыре. Вместо этого они быстро “устремляются” к ней со скоростью, близкой к скорости света. Работа, опубликованная в журнале Monthly Notices Королевского астрономического общества, знаменует собой первый случай, когда ученые смогли продемонстрировать как именно это происходит.

Наше исследование – это первый взгляд на то, как плазма, отделившаяся от внешнего края звезды, в конечном итоге попадает в центр черной дыры – процесс, происходящий в системе, удаленной от нас примерно на десять тысяч световых лет, – поясняет Маммери.

В галактике много черных дыр и теперь у астрономов есть новый мощный метод их использования для изучения самых сильных известных гравитационных полей. Теория Эйнштейна предсказывала, что такое окончательное падение произойдет, однако ученые впервые смогли продемонстрировать, что это происходит на самом деле.

Что происходит внутри черных дыр?

Подтверждение существования «водопадов» черных дыр знаменует собой новое захватывающее событие в изучении этих космических объектов. По словам Маммери, «последний выброс плазмы происходит на самом краю черной дыры и показывает, что материя реагирует на гравитацию в максимально возможной форме».

Астрофизики уже давно пытаются понять, что происходит вблизи поверхности черной дыры, изучая диски вещества, вращающиеся вокруг них. Вот почему существование «водопадов», где невозможно остановить окончательное погружение в черную дыру, было предметом дискуссий на протяжении многих десятилетий. Обнаружение Оксфордской командой этой области с помощью рентгеновских телескопов и данных с Международной космической станции (МКС) разрешает этот спор и открывает новые возможности для исследований.

Телескопы – лучшие помощники в изучении Вселенной. Изображение: static.scientificamerican.com

В то время как новое исследование сосредоточено на небольших черных дырах, расположенных ближе к Земле, вторая исследовательская группа из Оксфордского университета участвует в европейской инициативе по созданию нового телескопа под названием Africa Millimetre Telescope. Ожидается, что этот телескоп значительно расширит возможности по получению прямых изображений черных дыр, как в центре нашей галактики, так и далеко за ее пределами.

Теперь ученые намерены впервые наблюдать и снимать на видео горизонты событий больших черных дыр, которые, как полагают, притягивают вещество из космоса к своему центру по спирали при вращении. Такие черные дыры представляют собой почти невообразимые источники энергии, а их наблюдение стало бы еще одной важной вехой в нашем понимании этих удивительных космических объектов.

Гений Эйнштейна

Поскольку мы продолжаем расширять границы понимания черных дыр, невероятные открытия, сделанные командой физиков Оксфордского университета, служат свидетельством непреходящей силы теории гравитации Эйнштейна.

Таким образом, доказав существование «водопадов» или «области погружения» черных дыр и обнаружив самые мощные гравитационные силы в галактике, исследователи доказали востребованность новых методов для изучения самых экстремальных условий (и объектов) во Вселенной.

Теперь изучение черных дыр вышло на новый уровень. Изображение: cdn.mos.cms.futurecdn.net

Ну а с появлением таких ультрасовременных телескопов, как Africa Millimeter Telescope, мы стоим на пороге новой эры в исследованиях черных дыр, которая обещает раскрыть секреты этих загадочных космических монстров и приблизить нас к пониманию фундаментальных законов, управляющих Вселенной.