Увидеть черную дыру

Центральная часть установки ALMA — одной из станций глобального интерферометра EHT
Центральная часть установки ALMA — одной из станций глобального интерферометра EHT

Возможно, еще никогда размытая и невразумительная на первый взгляд картинка не вызывала такого воодушевления, как 10 апреля 2019 года. Это изображение обошло все уважающие себя СМИ, заполонило социальные сети, стало героем фотошопа, попало на футболки и успело поднадоесть. На картинке — первое в истории изображение реальной черной дыры — сверхмассивной дыры в центре галактики М 87. Изображение плохое, но настоящее.

Астрофизический контекст

Рис. 1: Оптический джет в М 87. Снимок космического телескопа «Хаббл» (NASA)
Рис. 1: Оптический джет в М 87. Снимок космического телескопа «Хаббл» (NASA)

Сверхмассивная черная дыра в М 87 издавна знаменита своим оптическим (наблюдаемым в видимом свете) джетом — релятивистской струей замагниченной плазмы. Обычно джеты видны лишь в радиодиапазоне, иногда в рентгене; оптические джеты — довольно редкое явление. Снимок на рис. 1 сделан космическим телескопом «Хаббл», но джет виден и в гораздо менее мощные наземные телескопы. Длина джета, точнее его проекции на небе, больше килопарсека. Джет направлен к нам, его отклонение всего 17°, то есть его настоящая длина — несколько килопарсеков. Именно из-за того, что джет направлен почти на нас, мы видим лишь один джет, посколь­ку второй направлен на 163° от нас, притом что оба они релятивистские с сильнейшей релятивистской аберрацией. Исходя из эффекта, который джет оказывает на межзвездную среду, оценивается его мощность: она составляет от 1044 до 1045 эрг/с. Первое из этих значений совпадает с полной светимостью нашей Галактики. (Здесь используются традиционные в астрофизике единицы системы СГС; для ориентации: светимость Солнца — 4×1033 эрг/с.)

Зато светимость диска (аккреционный диск — вещество, стягивающееся в черную дыру и разогревающееся до огромных температур) относительно невелика. Среди квазаров есть монстры, чей диск излучает 1047 эрг/с. Этот светит не более 1042 эрг/с, на порядки уступая джету в мощности. Дело в том, что этот диск очень неэффективно высвечивается: большая часть его энергии прямиком уносится в черную дыру. Такой режим аккреции называется ADAF (Advection dominated accretion flow) — это квазар на голодном пайке. Потока стягивающегося к дыре вещества не хватает, чтобы диск стал плотным и пришел в термодинамическое равновесие. Аккреционный диск получается оптически тонким, зато геометрически толстым из-за больших хаотических скоростей протонов и ядер. В ADAF частицы сталкиваются редко; ионы летают сами по себе с кеплеровскими скоростями, электроны — сами по себе, причем температура электронов в десятки раз ниже, чем у ионов. Светят именно электроны, мы видим их синхротронное излучение. А основная энергия уносится ионами внутрь черной дыры.

Что можно рассмотреть у черной дыры

Черные дыры, оставшиеся от одиночных звезд, имеют максимальный угловой размер около 10-15 радиана. Под таким углом видна самая мелкая земная бактерия с Луны. К счастью, размер черной дыры пропорционален массе (а не корню кубическому из нее, как для обычных тел), поэтому гигантские черные дыры, сидящие в центрах галактик и всосавшие массу миллионов и миллиардов звезд, гораздо перспективней. Рекордсмены по угловому размеру — сверхмассивная черная дыра (около 6 млрд солнечных масс) в сравнительно близкой к нам галактике М 87 (55 млн световых лет) и черная дыра в центре нашей Галактики — в тысячу с лишним раз меньше (4 млн солнечных масс), но и в две тысячи раз ближе. Угловой размер этих дыр намного больше — приблизительно 10-10: под таким углом будет виден шарик для пинг-понга на Луне или человеческий волос в толщину с расстояния 500 км. В астрофизике принято измерять угловой размер в угловых секундах — это 1/3600 градуса, или 0,5×10-5 радиана. В данном случае более адекватными единицами будут угловые микросекунды. Расстояние до М 87 — 16,4 мегапарсек, или 5×1025 см. Вот ключевые параметры черной дыры (даем основные размеры в угловых микросекундах).

  1. Гравитационный радиус черной дыры в М 87 (Rg) приблизительно равен 1015см (в три с лишним раза больше радиуса орбиты Нептуна). Он определяется через массу М, гравитационную постоянную G и скорость света как Rg = GM/c2. Угловой размер — 4 микросекунды.
  2. Шварцшильдовский радиус невращающейся черной дыры (радиус горизонта событий, из которого наружу не доходит никакой сигнал), вдвое больше: Rs = 2Rg (8 микросекунд).
  3. Последняя стабильная орбита радиуса: Ro = 6Rg (24 микросекунды).
  4. Радиус фотонной сферы: Rph = 3Rg. Фотон, пролетающий мимо черной дыры по касательной ближе, чем Rph, попадет в черную дыру; пролетающий дальше — улетит по кривой на бесконечность; летящий точно на расстоянии Rph — будет циркулировать вокруг дыры по круговой орбите.

Радиус тени черной дыры: Ra = 5,2 Rg. Тень — не что иное, как линзированная фотонная сфера (см. рис. 2). Угловой размер — 20 микросекунд.

Что из вышеперечисленного мы можем увидеть? Прежде всего мы должны видеть аккреционный диск. В случае М 87 мы наблюдаем этот диск почти плашмя. Но как при этом проявится сама черная дыра? Она наверняка вращается. Значит, ее горизонт меньше шварцшильдовского и ближе к Rg. Размер слишком мал, и, главное, горизонт ­никак не обозначается фотонами, покинувшими окрестность черной дыры. Те, что родились около него, за ­малым исключением, заглатываются дырой. Последняя стабильная орбита для вращающейся черной дыры приближается к горизонту и сливается с ним для случая предельного вращения. В этом случае практически все фотоны, испущенные с последней стабильной орбиты, попадают в черную дыру, и мы их не видим.

Зато мы можем увидеть контур тени черной дыры — яркое кольцо по ее окружности. Это, конечно, не фотоны, летающие вокруг дыры, — такие орбиты неустойчивы. Яркое кольцо — каустика, нечто вроде светлых полос на дне при небольшом волнении. Траектории многих фотонов, в том числе с обратной стороны аккреционного диска, с точки зрения удаленного наблюдателя, собираются в узкое кольцо (см. рис. 2). А внутри этого кольца должно быть относительно темно. Относительно, потому что внутри фотонной сферы мы можем видеть фотоны, испущенные веществом в сторону от черной дыры, их траектории изгибаются и попадают к наблюдателю. При этом яркость излучения, испущенного внутри фотонной сферы, сильно подавлена. Итак, имеем яркое кольцо с темной областью внутри и плавно спадающей наружу яркостью, поскольку светимость диска падает при удалении от черной дыры.

Рис. 2. Схема тени черной дыры. Кривыми условно показаны геодезические линии, по которым движется свет. Серым цветом — линии, которые упираются в горизонт черной дыры. Хотя, если между фотонной сферой и горизонтом светится падающее вещество, часть тени может быть слабо освещена
Рис. 2. Схема тени черной дыры. Кривыми условно показаны геодезические линии, по которым движется свет. Серым цветом — линии, которые упираются в горизонт черной дыры. Хотя, если между фотонной сферой и горизонтом светится падающее вещество, часть тени может быть слабо освещена

Техника наблюдений

Существует так называемый дифракционный предел углового разрешения λ/D, где λ — длина волны, D — апертура: диаметр зеркала телескопа или база интерферометра. Для крупнейших оптических телескопов дифракционный предел — около 10 миллисекунд. Для традиционных радиоинтерферометров со ­сверх­длинной базой, работающих на длине волны несколько сантиметров, дифракционный предел — около миллисекунды: ограничение дает диаметр Земли. У «Радиоастрона», одна из антенн которого находится в космосе, разрешение примерно в 30 раз лучше, но большая длина волны не позволяет увидеть происходящее вблизи черной дыры: пространство вокруг нее заполнено электронами больших энергий, поглощающих радиоволны (синхротронное самопоглощение). С помощью «Радиоастрона» провели исследование ядра М 87 и ровно это и увидели: непрозрачную фотосферу, скрывающую черную дыру и внутренние части аккреционного диска. Зато на длине волны около миллиметра синхротронное поглощение падает на порядки величины — электроны излучают, но почти не поглощают.

Проект EHT (Event Horizon Telescope) — интерферометр из нескольких радиотелескопов, находящихся в разных частях земного шара. Они все работают в миллиметровом диапазоне, исследование ядра М 87 велось на длине волны 1,3 мм. Дифракционный предел при такой длине волны и базе размером с диаметр Земли — около 20 угловых микросекунд. Такой же, как радиус тени черной дыры в М 87.

При таком соотношении разрешения и размеров объекта в радиоинтерферометрии удается получать вполне вразумительные изображения. В случае простой геометрии объекта — даже лучше: например, положение точечного объекта фиксируется с точностью в 20−30 раз выше дифракционного предела.

Радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой радикально отличается от обычной интерферометрии тем, что она цифровая, а не аналоговая. Грубо говоря, записывается временной профиль сигнала со всех антенн с частотой, равной удвоенной ширине полосы принимаемого сигнала. Это, конечно, много меньше, чем 230 гигагерц, но всё равно очень большая частота, поэтому первичные данные составляют около двух петабайт. Потом ищутся задержки, при которых профили сигналов с разных антенн коррелируют друг с другом. По задержкам, исходя из пространственного положения антенн, определяется направление прихода фронта волны. По совокупности задержек строится карта объекта.

На словах это выглядит просто, но на самом деле задержки между любой парой антенн всё время меняются: причиной тому вращение Земли, тепловая деформация, приливы и т. п. Самое неприятное — непредсказуемая турбулентность атмосферы, из-за которой фаза принимаемого сигнала «гуляет». Все предсказуемые факторы входят в модель задержки, которую легко учесть, но случайные факторы ломают когерентное накопление сигнала менее чем за 20 секунд, после чего надо искать корреляцию по новой и «эмпирически» сшивать фазу. Процедура, конечно, непростая: требуемый объем данных огромен, сам поиск корреляций потребляет огромные вычислительные ресурсы, к тому же восстановление карты по корреляциям — некорректно определенная задача. Тем не менее в большинстве случаев эта задача корректно решается, к тому же карта при большом отношении сигнал/шум получается четче полуширины диаграммы направленности. Все эти сложности увеличиваются с уменьшением длины волны. В частности, на длине волны 6 см время когерентного накопления сигнала составляет не 20 секунд, а 10 минут. Соответственно, на большей длине волны требуется меньшая скорость накопления данных. Именно поэтому интерферометрия на миллиметровой длине волны стала возможной лишь в этом столетии.

Кстати, еще до объединения антенн миллиметрового диапазона в сеть EHT главный узел этой сети — интерферометр ALMA, состоящий из десятков антенн, получил потрясающие снимки протопланетных дисков (см. рис. 3).

Рис. 3. Демонстрация возможностей интерферометрии в миллиметровом диапазоне:  снимки протопланетных дисков, сделанные отдельным узлом сети EHT — интерферометром ALMA
Рис. 3. Демонстрация возможностей интерферометрии в миллиметровом диапазоне:
снимки протопланетных дисков, сделанные отдельным узлом сети EHT — интерферометром ALMA

Результаты и их интерпретация

Измерения ядра М 87 с помощью EHT проводились четыре ночи: 5, 6, 10 и 11 апреля 2017 года. Результаты представлены в шести объемных статьях, опубликованных в Astrophysical Journal Letters и собранных здесь. Основную картинку, представленную на рис. 4, наверняка все уже видели, приводим отдельные снимки по дням (рис. 5).

Рис. 4. Изображение, украсившее первые полосы газет и футболки: карта, по сумме наблюдений за четыре дня
Рис. 4. Изображение, украсившее первые полосы газет и футболки: карта, по сумме наблюдений за четыре дня
Рис. 5. Карты, построенные по данным каждого из четырех дней. На верхней панели обозначено направление вращения диска в проекции на луч зрения (диск слегка наклонен) и указано соответствие размера в угловых микросекундах и единицах гравитационного радиуса. Основа рисунка взята из цитированной публикации в Astrophysical Journal Letters
Рис. 5. Карты, построенные по данным каждого из четырех дней. На верхней панели обозначено направление вращения диска в проекции на луч зрения (диск слегка наклонен) и указано соответствие размера в угловых микросекундах и единицах гравитационного радиуса. Основа рисунка взята из цитированной публикации в Astrophysical Journal Letters

Заметны небольшие изменения в распределении яркости вдоль по светлому кольцу. Это естественно: постоянная времени изменений на радиусе фотонного кольца (около световых суток) — дни. Мы видим, как дышат некие неоднородности в аккреционном диске. Бросается в глаза разная яркость верхней и нижней части кольца. Это объясняется тем, что мы наблюдаем аккреционный диск не точно плашмя, а под небольшим наклоном. Диск перпендикулярен джету. В координатах картинки джет направлен вправо. Диск вращается по часовой стрелке, поэтому нижняя часть кольца приближается к нам, а верхняя удаляется. Этого достаточно, чтобы релятивистская аберрация давала заметную разницу в яркости.

Значительная часть опубликованных статей посвящена моделированию аккреции на черную дыру с высвечиванием вещества и прослеживанием испущенных фотонов. Это довольно сложная задача, поскольку требуется трехмерная магнитогидродинамика в релятивистской метрике. Тем не менее — решают и смотрят, похоже на наблюдаемую картину или нет. Пример сравнения модели с реальностью показан на рис. 6. Конечно, не все модели дают результат, похожий на правду. Поэтому удается отбросить некоторые варианты физики аккреционного диска. Например, не проходит предположение об одинаковой температуре ионов и электронов. Не проходит предположение о невращающейся черной дыре, хотя измерить параметр вращения не удается: проходит как значение, а = 0,94, так и значение, а = 0,5. Удалось исключить неоднозначность в оценке массы черной дыры. До сих пор существовали две противоречащие друг другу оценки: 6 млрд солнечных масс — по разбросу скоростей звезд и 3,5 млрд солнечных масс — по движению газа. Из размера «бублика» и сравнения его с результатами моделирования получается оценка 6,5 млрд солнечных масс, согласующаяся с первой из приведенных выше.

Рис. 6. Результат моделирования динамики диска и изображения в сравнении с результатами. Слева направо: изображение, построенное по реальным данным; результат моделирования диска и оптики в сильном гравитационном поле; центральное изображение, размазанное в соответствии с реальным разрешением
Рис. 6. Результат моделирования динамики диска и изображения в сравнении с результатами. Слева направо: изображение, построенное по реальным данным; результат моделирования диска и оптики в сильном гравитационном поле; центральное изображение, размазанное в соответствии с реальным разрешением

Значение результата и перспективы

Многие рассматривают основной результат EHT как прямое подтверждение существования черных дыр. Это так, но это не первое и не самое сильное подтверждение. Гравитационные волны от слияния черных дыр — сильней. Но снимок тени черной дыры наглядней и понятней для широких масс. Это очень важно, поскольку деньги на исследования в конечном счете дают именно широкие массы. С моей точки зрения, интересней данные об аккреционном диске. Это совершенно фантастическое явление, гораздо более сложное, чем черная дыра.

То, что сделали, еще не предел. Методику можно вылизывать, набирать статистику. Будут более четкие изображения, будут видны изменения аккреционного диска со временем — там масса интересной астрофизической информации.

И еще одна очень важная перспектива — черная дыра в центре нашей Галактики, ­радиоисточник Стрелец А. Ее угловой размер немного больше; ориентация, по-видимому, другая, менее благоприятная для наблюдения тени, но более интересная с точки зрения эффектов линзирования и физики аккреционного диска.

Наконец, более далекая перспектива — радикальное увеличение базы интерферометра за счет космического миллиметрового телескопа. Именно этой задаче посвящен проект «Миллиметрон», разрабатываемый в Астрокосмическом центре ФИАНа, — наследник «Радиоастрона».

Борис Штерн

Автор благодарит Юрия Ковалева за ряд уточнений

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Связанные статьи

avatar
15 Цепочка комментария
43 Ответы по цепочке
2 Подписки
 
Популярнейший комментарий
Цепочка актуального комментария
13 Авторы комментариев
Kapitan NemoMikhail KubantsevАндрей ХарченкоВладимир АксайскийБорис Штерн Авторы недавних комментариев
  Подписаться  
Уведомление о
Олег
Олег

Как мне нравится читать статьи Бориса Штерна! Всё очень чётко и понятно даже неспециалисту.

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Энтузиазм зашкаливает. Однако вспомним 1997 год

comment image

Почти точная копия изображения. Но более скромный вывод.

Вспоминается аналогичная шумиха вокруг «открытия» сверхсветовых нейтрино.

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Картинка сопровождается довольно поучительным текстом Объект, который сначала привлек к себе внимание астрономов своим необычным спектром, оказался в результате так называемым «Кольцом Эйнштейна» — порождением эффекта гравитационного линзирования, при котором свет от более далекого источника преломляется гравитационным полем более близкого массивного тела, проецирующегося на этот источник. В рамках программы изучения эволюции галактик Стефан Уорен (Королевский колледж, Лондон) и его коллеги использовали 3.9-м телескоп Англо-Австралийской обсерватории для того, чтобы получить спектры более 150 слабых объектов. Процесс шел гладко и спокойно, пока не обнаружилось, что одна звездная система в созвездии Скульптора — безымянная галактика 20-ой звездной величины — имеет на фоне довольно типичного для галактик спектра странную линию излучения на длине волны 5588 ангстрем. Определенное по линиям… Подробнее »

Борис Штерн
Редактор
Борис Штерн

Это совсем не то — просто гравитационная линза. Радиус этого кольца — многие килопарсеки

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Разумеется, но…
Нет уверенности, что новое наблюдение не может интерпретироваться как кольцо Эйнштейна.
Хочется обратить внимание на то, что оценка массы основана на данной интерпретации, а не наоборот.

Еще вопрос. Если это не кольцо Эйнштейна, то где само кольцо? Чем тогда объяснить его отсутсвие?

Валерий Морозов
Валерий Морозов

comment image

Альтернативная теория дает меньший радиус кольца Эйнштейна при той же массе массивного тела.

Валерий Лесов
Валерий Лесов

Видим диск плашмя, а на рис. 2 наблюдатель видит его сбоку? Или за счет некоторого наклона к лучу зрения такая схема получается?

Борис Штерн
Редактор
Борис Штерн

На рис. 2 диска нет. Есть фотонная сфера. Диск надо пририсовать вертикально, почти перпендикулярно плоскости картинки.

Валерий Лесов
Валерий Лесов

Понятно.

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Однако сфера должна подсвечиваться, или ее яркость должная быстро уменьшаться. Ну, хотя бы заметно уменьшаться.

Изменяться со временем должно и кольцо Эйнштейна. Галактики не неподвижны.

Надо подождать. Думаю шумиха стимулирует независимые наблюдения. Астрон мог бы показать многое.

Валерий Лебедев
Валерий Лебедев

Dear Борис Евгеньевич, спасибо, все так понятно и наглядно, как будто сам побывал в ЧД. Но… именно как будто. Мы давно привыкли к ЧД, а после LIGO и VIRGO совсем породнились. Вы тонко заметили, что красивая картинка фото ЧД нужна для «народа», то есть для чиновников, важных для финансирования проекта. Все презентации для того и делаются. Физик Невский, водя меня по БАКу, говорил, что шумиха о возможном появлении в нем ЧД и гибели Земли очень помогала команде БАКа получать деньги от правительств. Теперь о проблеме. Она не физического, а гносеологического порядка. Дело в том, что ЧД ставит перед нами своего преграду перед интенцией на познаваемость мира. Сама интенция идет от Гегеля — вплоть до достижения абсолютной истины. В материалистическом изложении эта истина достигается асимптотически, что тоже… Подробнее »

Vyacheslav Dokuchaev
Vyacheslav Dokuchaev

На изображений черной дыры в галактике М87 наблюдается силуэт горизонта событий, но не тень черной дыры. А так, как говорят в Одессе, все правильно. Пояснение: В зависимости от распределения светящегося вещества вблизи черной дыры удаленный наблюдатель может видеть темную тень невидимой черной дыры (сечение захвата фотонов, излучаемых стационарным фоном за черной дырой) и/или темный силуэт невидимого горизонта событий черной дыры (темное изображение горизонта событий, на фоне падающего в черную дыру нестационарного излучающего вещества). Тень черной дыры наблюдается, когда за черной дырой находится стационарное протяженное распределение (облако) светящегося газа. В свою очередь, силуэт горизонта событий виден на фоне линзированного изображения нестационарного (падающего в черную дыру) вещества, излучающего из области, меньшей круговой фотонной орбиты. На первом опубликованном изображений черной… Подробнее »

Валерий Морозов
Валерий Морозов

«На изображений черной дыры в галактике М87 наблюдается силуэт горизонта событий»

Или что-то другое, например, кольцо Эйнштейна. Если не будем подгонять массу под размер «горизонта».

Уравнение Эйнштейна — слабое место теории. Великолепно работает при слабых полях, но вряд ли можно доверять его решения при сильных полях.
Ландау и Лифшиц (т.2 § 95. Уравнения Эйнштейна) отсутствие энергии гравитационного в действии S объясняется так: «Гравитационное взаимодействие играет роль только для тел с достаточно большой массой (благодаря малости гравитационной постоянной). Поэтому при исследовании гравитационного поля нам приходится обычно иметь дело с макроскопическими телами».
https://www.researchgate.net/publication/331 984 448_On_the_Einstein_equation_and_the_energy_of_a_gravitational_field_in_Russian/download

ричард
ричард

«наблюдается силуэт горизонта событий"--не силуэт и не обязательно горизонта. Можно говорить о тени Ио на поверхности Юпитера и о силуэте Венеры на фоне Солнца. Там лучи прямые. Здесь же Dark Spot формируется вследствие искривления лучей в гравитационном поле/нулевым геодезическим в искривленном пространстве. В 1919 году Эддингтон наблюдал доли секунды в окрестности Солнца, в 2019 речь идет о радианах в окрестности ядра М87.

ричард
ричард

«Вы тонко заметили, что красивая картинка фото ЧД нужна для „народа“, то есть для чиновников, важных для финансирования проекта. Все презентации для того и делаются."(Валерий Лебедев). Действительно, предположим противное: обработка изображений показала, что темное пятно (кстати, термины „тень“ и „силуэт“ не точны!) не соответствует предсказаниям ОТО никаким боком. Скажем, гравитационный потенциал в сильном поле юкавообразный (гравитоны имеют массу). Это вам даже не доклад Н.С. Хрущева на ХХ съезде, это „посильнее, чем „Фауст“ Гете“. Огромный массив литературы по ОТО во всем мире последовал бы по пути ПСС В.И.Ленина». Сильный принцип эквивалентности разделил бы судьбу классового подхода. Как говорят в Одессе: «Оно вам надо?»

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Оно надо Вам!

Если бы мы всегда исходили из потребностей желудка («А можно ли это намазать на хлеб?») мы никогда бы не имели той техники, которой Вы пользуетесь каждый день.

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Хотел бы пояснить, «фотонная сфера» это еще одна особенность решения Шварцшильда. Сила тяжести в этом решении немонотонна и спадает (!) вблизи сферы Шварцшильда. Это не менее странно, чем сама сфера Шварцшильда. При достаточно большой массе того, что принято называть черной дырой, свет обращается по устойчивой (круговой) орбите.

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Извините, я был немного не в теме. Погорячился насчет кольца Эйнштейна. Это было плохая гипотеза…

ольга соколовская
ольга соколовская

Так что же служит источником энергии джета?

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Загадка, одна из возможностей — отрицательная гравитационная энергия и и энергия джета растут одновременно по абсолютной величине. Причем их импульс одинаково направлен и они разгоняются до тех пор пока эта структура не развалится. В большинстве гипотез энергия и импульс гравитационного поля не учитываются. Зря, при определенных условиях они становятся одного порядка. https://www.researchgate.net/publication/322 308 054_Extreme_Gravity_Fields_and_Equation_of_Gravity_Field_Astrophysical_Aspects_v2_in_Russian/download Abstract Достаточно длительное взаимодействие вещества и гравитационного поля приводит к значительному увеличению последнего и появлению потока энергии гравитационного поля в направлении ускорения вещества. Это прямое следствие закона сохранения энергии-импульса. Получены метрики сферически симметричного стационарного гравитационного поля, одна из которых соответствует метрике Шварцшильда. Вторая метрика соответствует статическому безмассовому образованию с выталкивающим полем. Размер такого «пузыря» пропорционален его энергии. Выталкивая вещество пузырь получает дополнительную энергию и растет. Это процесс,… Подробнее »

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Беда в самом деле!

Существует мнение, что «черная дыра» M87 — источник яркого излучения и причина релятивистского джета, однако…

Никаких признаков, что это источник джетов. Многие находят признаки того, что это черная дыра. Это скорее всего, выдается желаемое за действительное.

ричард
ричард

«Существует мнение, что „черная дыра“ M87 — источник яркого излучения и причина релятивистского джета». Для извлечения одного грамма вещества из ЧД необходима бесконечная работа. Джет из нее — это что-то вроде фонтана из бесконечно глубокого колодца.

Максим Борисов
Редактор
Максим Борисов

Прочтите какие-нибудь элементарные статьи и учебники. Все такие явления происходят за пределами горизонта событий.

ричард
ричард

Этот обзор подойдет?
https://arxiv.org/abs/1904.5 363
Хотя я не нашел там «энергию вращения черной дыры». Да и гравитация вблизи горизонта (шире-за пределами постньютоновского приближения) совсем не элементарная.

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Я видел статью Бескина…
Однако джет должен выйти за горизонт. Или нет?

Максим Борисов
Редактор
Максим Борисов

На «наивный» вопрос: рождается ли джет внутри черной дыры, за горизонтом событий? — простой и самоочевидный ответ: разумеется, все эти процессы за пределами горизонта событий (даже излучение Хокинга в конечном счете и гравитационное взаимодействие). А вот на тему, откуда именно исходят джеты, — из эргосферы или рождаются в аккреционном диске, судя по всему, еще можно как-то рассуждать, хотя мне казалось бы, что последнее тоже достаточно естественно. Но вот попадаются такие новости, значит, это еще обсуждаемо
https://indicator.ru/news/2018/04/03/radioastron-strui-chernyh-dyr/
https://www.nature.com/articles/s41550−018−0431−2

P. S.: «…указывает на то, что джет зарождается в аккреционном диске (механизм Блэнфорда — Пэйна), а не в эргосфере черной дыры (механизм Блэнфорда — Знаека)».
(статья годичной давности)

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Я попытался увидеть место рождения Джета. Изменил кривую яркости. Не увидел ничего интересного…

comment image

Владимир Аксайский
Владимир Аксайский

А я увидел пентагон на вашем рисунке — вам, похоже, удалось огранить ЧД. :)comment image

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Самое интересное. Откуда берется энергия ПРОЗРАЧНОГО джета?
Казалось бы, он должен был высветиться за несколько тыщ лет…

Борис Штерн
Редактор
Борис Штерн

Максим, это авторы поторопились. Они видят «чехол» джета, который вполне может генерироваться диском. Быстрого джета (сердцевину) они не видят из-за сильной релятивистской аберрации. Наоборот, данные по спектрам показывают, что джет индуцируется черной дырой. Здесь я профи.

Владимир Аксайский
Владимир Аксайский

Борис Штерн: Интересно, джет — это единичный выброс или стационарная струя? — в доступных мне источниках не нашел внятного ответа. И еще, как понимать «индуцируется» в фрагменте — … джет индуцируется черной дырой?

Борис Штерн
Редактор
Борис Штерн

Джет нестационарен, но это не единичный выброс, а скорей типа очереди выстрелов. Яркость меняется больше, чем на три порядка величины. Например, мой любимый 3С 454.3 во вспышках — чемпион, а иногда вообще пропадаете из видимости. Вот здесь — фильм по данным «Ферми», там видно, как они вспыхивают и гаснут https://www.youtube.com/watch?v=WU__lpBkLJc

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Спасибо, это было интресно.
Есть еще один вопрос. Имеются ли данные о распределению скорости по длине джета?

Владимир Аксайский
Владимир Аксайский

Спасибо, ролик впечатляет. Диктор называет мерцание блазаров миганием, хотя я бы, скорее, сравнил это с дыханием — если уж пользоваться антропоморфными аналогиями. Поражает большая частота пульсаций блазара и постоянство ориентации джета — визуально даже намека нет на прецессию.

Борис Штерн
Редактор
Борис Штерн

Источником энергии джета служит либо энергия вращения аккреционного диска, либо энергия вращения черной дыры, либо и то и другое одновременно. Впрочем, энергия вращения черной дыры тоже накапливается из-за углового момента падающего вещества

ричард
ричард

«Энергию вращения черной дыры» можно извлечь из-под горизонта событий? Есть ли публикации на эту тему? ИМХО, энергия связи ЧД (если не трогать хокинговское испарение) бесконечна.

Борис Штерн
Редактор
Борис Штерн

Это общее место. Эффект Блэндфорда-Знаека.

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Возникает новая загадка. Почему в диапазоне 1.3 мм мы не видим джета?
Возможно выбрасывается гравитационное поле, обладающее не только (отрицательной) энергией, но и импульсом?
Это не сильно афишируется, но гравитационное поле обладает отрицательной энергией и импульсом (см. Ландау-Лифшиц т.2). Обычно эти компоненты малы и по причине малости не рассматриваются. Зря.

ричард
ричард

«Это не сильно афишируется» А работы А.А. Логунова с сотрудниками и дискуссия в УФН в конце 80-х? +лекции Фейнмана по гравитации (есть русский перевод А.Ф. Захарова 2000 г.)

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Забавно, но Фейнман прочитав лекции никогда к этой теме не возвращался…
Я считаю Фейнмана великим физиком, но начале его лекций воспринимаются как «Эйнштейн в этом деле устарел…» При выборе между Эйнштейном и Фейнманом (Логунов вообще не в счет) я предпочитаю Эйнштейна.

ричард
ричард

Наверное, из 4-х томника Вы предпочитаете «принстонскую» часть 2-го тома. А выбор между исследовательскими программами: геометризация физики vs квантование гравитации?

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Я отследил путь Эйнштейна и к его ошибкам добавил свои, получилось хорошо.
https://www.researchgate.net/publication/328 736 182_General_Theory_of_Relativity_II_in_Russian?_sg=Ni08fTkd_Vu7OM1JaTdx5WoEKGgdZ3QB98fMx0ETJAxNfE0sxDboyqTJ6Sai8st-Bjg9FN6I3EJZ0pMcNhlZD_elv1aRUxUm4KHzsh9w.yut6JWXjEcBGSlFM4SiP4i2GfIp8DZ6RoqplL6DJ2MOu_Gr4OpnOBGKHNmMSZrsYMCXzYjlQoFRZH_bXK2TBNg

Насчет квантования, эти грабли меня не воодушевляют. Вообще я по возможности не следую программам, даже своим собственным.

Насчет «геометризации». Устройство мира невозможно описать в плоском пространстве. Да и плоское пространство Минковского уже намертво привязало время к пространству. Геометрия описывает наше пространство со времен Декарта.

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Я немного озадачен. О каком четырехтомнике Вы говорите? Я говорю о колтеховских лекциях Фейнмана по гравитации. Сосчитал тома, получился один том.

ричард
ричард

Эйнштейн, серия «Классики науки», 1965−1967.
Фейнман в Принстоне не работал.

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Но читал лекции по гравитации в Колтехе (Калифорнийском технологическом, зеркале)
4-х томник Эйнштейна конечно настольная книга… одна из многих

Владимир Аксайский
Владимир Аксайский

Статья понравилась, особенно завораживает рис. 1. с джетом. Если принять протяженность джета ~3.5 Kpc и допустить для него предельную скорость распространения c, то получается - он формировался никак не меньше 11 тысяч лет и мне любопытно, как объясняют его прямолинейность, если ЧД вращается. И ещё, глядя на рис. 1, почему бы не допустить — нечто компактное несется к ЧД, оставляя за собой инверсионный след. :)

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Вера в черные дыры основана, в конечном счете, на вере в уравнение Эйнштейна.

Однако при построении уравнения явно допускается, что энергия гравитационного поля не является источником гравитационного поля (противоречит требованию Эйнштейна о том, что любая энергия является источником гравитационного поля).
Это вынужденное нарушение эйнштейновских принципов было сделано ради общековариантности уравнений. Получилось удачно. Для слабых полей уравнение Эйнштейна работает прекрасно. Но утверждать, что так будет всегда нельзя.

ричард
ричард

А есть ли в ОТО понятие «гравитационное поле»? Сильный принцип эквивалентности с неизбежностью приводит к пониманию гравитации как кривизны пространства-времени.

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Почему нет, «гравитационное поле» осталось полем, только тензорным.

ричард
ричард

На фоне искривленного пространства?

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Гравитационное поле это и есть искривление пространства. Описывается фундаментальным (метрическим) тензором.

Андрей Харченко
Андрей Харченко

Почему в статье говорится о «Гравитационном радиусе» и «Шварцшильдовском» и у них разные формулы, а в Вики говорится, что это одно и то же и приводится только вторая формула?
И что за единицы измерения «см», в которых указаны астрономические расстояния?

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Вики, как минимум, неполный источник информации… смотрим Ландау-Лифшиц т.1 § 102, задачи.

Сила тяжести в решении Шварцшильда немонотонна — вблизи радиуса Шварцшильда она, к удивлению многих ослабевает. Поэтому радиусы круговых орбит имеют на расстоянии, большем некоторого критического устойчивые орбиты.
Радиус устойчивых орбит может быть как угодно большим, но для больших масс он близок к предельному \sqrt{3} Rg.
Трудно понять куда делся корень, возможно потерялся по пути из физики в астрофизику…

Kapitan Nemo
Kapitan Nemo

Иногда гравитационным радиусом называют шварцшильдовский радиус (2M), а иногда, но реже, -- радиус горизонта событий экстремальной чёрной дыры (экстремальной -- значит с максимально допустимыми спином S и зарядом Q). У такой ЧД радиус горизонта событий вдвое меньше шварцшильдовского: r = M + sqrt (M2 — (S/M)^2 — Q2); видно, что при нулевом заряде и S=M радиус равен M.

Владимир Аксайский
Владимир Аксайский

Из любопытства, подстановкой проверил условия S=M и Q=0. Получилось, — радиус равен M, если S=M=1, — в общем случае, радиус равен M, если принять S=M2, — либо что-то не так с уравнением.

Mikhail Kubantsev
Mikhail Kubantsev

Спасибо за статью, очень точная и понятная. Много деталей позволяющих увидеть, что ожидать дальше.

Борис Штерн
Редактор
Борис Штерн

Всем, кто тут спрашивал про джеты. Вот те, что смотрят на нас в динамике по данным «Ферми» https://www.youtube.com/watch?v=WU__lpBkLJc

Валерий Морозов
Валерий Морозов

comment image

A stunning new image reveals two jets of high-energy material being spewed at nearly light-speed from the first-ever photographed black hole. The supermassive black hole, M87 -- dubbed Pōwehi -- lives 55 million light-years away from Earth in a galaxy called Messier 87. The new image of M87 was released by NASA’s Jet Propulsion

https://news.yahoo.com/black-hole-spits-high-energy-132 400 633.html

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (11 оценок, среднее: 4,91 из 5)
Загрузка...
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: