Нобелівська премія та перша фотографія чорної діри

Ви, напевно, чули новину про першу фотографію чорної діри, яку опублікував вчений. Знімок став приголомшливою новиною не лише для астрономії, але й для всього світу. Ця фотографія стала першим кроком до нових інформаційних дверей. Всесвіт стає все більш просвітленим з кожним днем, отримуючи нову інформацію, і завдяки цьому ми здатні краще розуміти всі таємниці за межами нашої планети.

Нещодавно ми бачили, як дванадцять лауреатів отримали Нобелівську премію 2020 року, і як один з них зробив значний внесок у розвиток людства своїми дослідженнями та відкриттями. Всі вони - дивовижні дослідники, і ми хотіли б поговорити про кожного з них тут, але сьогодні для кращого пояснення і розуміння контексту першої фотографії чорної діри ми поговоримо про роботу лауреатів Роджера Пенроуза, Райнхарда Гензеля та Андреа Гез, лауреатів Нобелівської премії з фізики.

Як повідомляє офіційний сайт Нобелівської премії, лауреати визнані "за відкриття того, що утворення чорних дір є надійним передбаченням загальної теорії відносності" і "за відкриття надмасивного компактного об'єкта в центрі нашої галактики". Пенроуз за допомогою вражаючих математичних методів довів, що чорні діри пов'язані з теорією відносності Ейнштейна, а Райнхард Гензель і Андреа Гез своєю роботою виявили неспростовні докази того, що в центрі нашої галактики Чумацький Шлях дійсно знаходиться чорна діра, сьогодні відома під назвою Стрілець А*.

Щоб повністю зрозуміти тему, нам потрібно знати кілька базових понять про чорні діри: "Що таке чорна діра?"; "З чого вони складаються?"; "Де можна знайти чорну діру?". Де їх можна знайти?"

Перше, що нам потрібно знати, це поняття, яке часто використовується в багатьох темах з астрономії, а саме поняття простору-часу. Простір-час - це чотиривимірна множина, три виміри простору і один вимір часу, в системі координат (x,y,z,t). Цікавим фактом є те, що одна точка в цій системі координат називається подією. З огляду на це, ми можемо отримати визначення чорної діри.

Чорна діра - це область простору-часу де гравітація настільки сильна, що жоден газ, пил, частинка чи навіть світло не можуть вирватися з неї! Всі вони СИЛЬНО притягуються силою гравітації в чорну діру і зникають, відправляючись в місце, яке залишається невідомим для вченого навіть сьогодні. Найцікавіше тут те, що якщо навіть світло не може звільнитися від цієї сили, то неможливо побачити чорну діру або навіть дізнатися, де вона знаходиться. Це все одно, що спробувати побачити чорний об'єкт на чорному тлі - ви не побачите, а якщо і побачите, то з великими труднощами. Тож, як вченим це вдається?

Теоретично, чорні діри утворюються, як правило, коли дуже масивна зоря, набагато важча за Сонце, колапсує наприкінці свого життя. Маса є дуже важливим фактором, який визначає, чи перетвориться мертва зоря на чорну діру або нейтронну зорю. Ця надмасивна зоря стискається в дуже малий простір через гравітацію і утворює чорну діру, яка своєю компактною масою може деформувати простір-час, згідно з теорією загальної відносності.

Ця деформація простору-часу створює силу гравітаційного прискорення, спрямовану до центру тіла з густою масою. І через цю силу газ і частинки, що знаходяться поблизу чорної діри, починають набирати швидкість обертання, примусово втягуючись у чорну діру. Це явище називається Диск нарощування.

Ця гравітаційна сила і сила тертя змушує весь газ і частинки з електричними зарядами генерувати не тільки підвищення температури, але й електромагнітне випромінювання з різними частотами, наприклад, інфрачервоне або рентгенівське випромінювання. Завдяки цій дивовижній властивості чорну діру можна "побачити". Це добре, але не полегшує роботу вченого на 100%: ви можете відстежувати частоту, але все одно не можете сказати: "О, дивіться, чорна діра там, у небі". Ми не можемо прирівнювати світло чорної діри до світла звичайної зірки; вони дуже відрізняються одне від одного. Але хороша новина полягає в тому, що чорний об'єкт, який був на початку, тепер злегка підсвічується на чорному фоні.

На першому зображенні чорної діри ми бачимо акреційний диск. Чорна діра в цьому випадку в 6,5 мільйонів разів важча за наше Сонце і розташована в галактиці Мессьє 87, за 53 мільйони світлових років від Землі. Зображення стало можливим завдяки синхронізації знімків з восьми різних телескопів по всьому світу, телескопа "Горизонт подій" та деяких інших космічних телескопів, які одночасно фіксували дані з M87 у квітні 2017 року. Кожен з них зафіксував різні дані від чорної діри, а потім все це було об'єднано разом, сформувавши зображення. Це може здатися легкою і одномоментною справою, але вченому довелося добряче попрацювати, щоб повністю зрозуміти всі дані і те, як з ними працювати, який алгоритм використовувати і як його застосовувати.

У статті, опублікованій у 1997 році, Гензель показав, що зібрані дані за п'ять різних років, з 1992 по 1996, фіксують швидко рухомі зорі в безпосередній близькості від Sgr A*, і що дуже велика і важка темна маса перебуває в середині цих зір. "При такій густині не існує стабільної конфігурації нормальних зірок, зоряних залишків або субзоряних об'єктів", - йдеться в статті (GENZEL et al., 1997). Висновок: "В ядрі Чумацького Шляху повинна бути масивна чорна діра".

В іншій статті, опублікованій у 1998 році Гезом, дворічне дослідження виявило ту саму картину рухомих початків у тому самому місці, як сказано в статті, "піки як зоряної поверхневої густини, так і дисперсії швидкості узгоджуються з положенням кандидата на чорну діру (на той час ще кандидата) Sgr A*" (GHEZ et al., 1998). Зображення, використані в дослідженні, були отримані в ближньому інфрачервоному діапазоні довжин хвиль, тобто в діапазоні частот, які випромінює акреційний диск.

Ось короткий список з цими статтями:

ГЕНЦЕЛЬ, Р. та ін. Про природу темної маси в центрі Чумацького Шляху. Щомісячні повідомлення Королівського астрономічного товариства, v. 291, n. 1, p. 219-234, 11 out. 1997.

Гез, А. М. та ін. Високі зорі з власним рухом в околицях Стрільця A\схід: Свідчення про надмасивну чорну діру в центрі нашої Галактики. Астрофізичний журнал, v. 509, n. 2, p. 678-686, dez. 1998.

Гез, А. М. та ін. Вимірювання відстані та властивостей центральної надмасивної чорної діри Чумацького Шляху із зоряними орбітами. Астрофізичний журнал, v. 689, n. 2, p. 1044-1062, dez. 2008.

Хіба всесвіт не прекрасний?

Все це вже неймовірно, але попереду ще багато цікавого, як сказав Девід Хевіленд, голова Нобелівського комітету з фізики: "...ці екзотичні об'єкти все ще ставлять багато запитань, які вимагають відповідей і мотивують майбутні дослідження. Не тільки питання про їхню внутрішню структуру, але й питання про те, як перевірити нашу теорію гравітації в екстремальних умовах в безпосередній близькості від чорної діри". А ми будемо тут, з нетерпінням чекаючи наступної перерви! Тим часом, ми дякуємо цьогорічним лауреатам Роджер Пенроуз, Райнхард Гензель і Андреа Гезти просто неймовірна!

Якщо ви також хочете почитати про творчість Роджера Пенроуза, ось кілька статей, що описують його роботу. Одна з них була опублікована разом з легендарним Стівен Гокінг. Ви також можете ознайомитися з цими статтями тут:

Гокінг С., Пенроуз Р. Природа простору і часу. Американський фізичний журнал, v. 65, n. 7, p. 676-676, 1 лип. 1997.

ЕЛЕРС, Я.; РІНДЛЕР, В.; ПЕНРОУЗ, Р. Збереження енергії як основа релятивістської механіки. II. Американський фізичний журнал, v. 33, n. 12, p. 995-997, 1 грудня 1965.

Ньюман, Е.; Пенроуз, Р. Підхід до гравітаційного випромінювання методом спінових коефіцієнтів. Журнал математичної фізики, v. 3, n. 3, p. 566-578, 1 травня 1962.

Пенроуз, Р.; Ріндлер, В. Збереження енергії як основа релятивістської механіки. Американський фізичний журнал, v. 33, n. 1, p. 55-59, 1 січня 1965.

Якщо у вас є проект або презентація про будь-яку область астрономії, ви можете використовувати Mind the Graph, щоб зробити ваш контент більш ефективним, дидактичним і цікавим! Ми знаємо, що важко отримати гарні фотографії на цю тему, тому ми тут, щоб допомогти вам у цьому, ви можете перевірити наш вміст про астрономію ось тут..

Ви можете знайти в Mind the Graph все, що вам потрібно, а якщо не знайдете, ми вам допоможемо!

Покращуймо комунікацію в науці разом! Ви готові спробувати?

Нобелівська премія та перша фотографія чорної діри

Підпишіться на нашу розсилку

Про Фабріціо Памплону