За последние несколько месяцев Universe Today изучила множество научных областей, включая ударные кратеры, поверхности планет, экзопланеты, астробиологию, физику Солнца, кометы, атмосферы планет, планетарную геофизику, космохимию, метеориты, радиоастрономию, экстремофилы и органическую химию, а также то, как эти различные дисциплины помогают ученым и миру в целом. общественность лучше понимает наше место в космосе. Здесь мы обсудим увлекательную и загадочную область изучения черных дыр с доктором Гауравом Ханной, профессором физического факультета Университета Род-Айленда, о важности изучения черных дыр, преимуществах и проблемах, интересных аспектах изучения черных дыр и о том, чем будут заниматься будущие студенты. изучаю черные дыры. Итак, в чем же важность изучения черных дыр?
"Гравитация - старейшая из известных, но наименее изученная сила в природе", - говорит доктор Ханна в интервью Universe Today. "Для тех, кто изучает гравитацию, черные дыры являются одними из самых интересных объектов для изучения, потому что гравитация является там доминирующей силой — на самом деле, она бесконечно сильна! Кроме того, есть астрофизические причины интереса к черным дырам. Они играют важную роль в галактиках, возможно, даже в крупномасштабном поведении Вселенной и не только. "Еще одна вещь, которую следует отметить в отношении черных дыр, - это то, что они очень "просты", особенно по сравнению со звездами и другими астрофизическими объектами. Это является следствием так называемой теоремы "отсутствия волос", которая гласит, что черные дыры могут быть полностью охарактеризованы только тремя признаками - их массой, зарядом и вращением. Эта простота делает их особенно привлекательными для изучения."
Черные дыры известны тем, что обладают настолько сильной гравитацией, что свет даже не может вырваться наружу, и хотя в 1915 году в общей теории относительности Альберта Эйнштейна впервые была предложена концепция черных дыр, концепция объекта, размер и гравитация которого не позволили бы свету вырваться наружу, была впервые предложена в ноябре прошлого года. Письмо английского философа и священника Джона Митчелла от 1784 года. В этом письме Митчелл назвал эти объекты "темными звездами", поскольку предположил, что звезды, диаметр которых в 500 раз превышает диаметр нашего Солнца, могут спровоцировать образование этих объектов. Кроме того, он предположил, что гравитационные волны, воздействующие на близлежащие небесные тела, позволят обнаружить эти объекты.
Перенесемся к общей теории относительности Эйнштейна, которая также предсказывала существование черных дыр и гравитационных волн, которые продолжали тщательно изучаться на протяжении всего 20-го века, включая так называемый "золотой век общей теории относительности" в 1960-х и 1970-х годах. Это включает в себя первый объект, признанный научным сообществом в качестве черной дыры, под названием Cygnus X-1, который был обнаружен в 1964 году. Однако потребовалось еще 52 года, чтобы существование гравитационных волн было подтверждено с помощью слияния черных дыр, которое было осуществлено научным сотрудничеством LIGO. Итак, учитывая обширную историю в сочетании с ключевыми открытиями, сделанными только за последние несколько лет, каковы некоторые преимущества и проблемы изучения черных дыр?
Доктор Ханна рассказывает Universe Today: "Как я уже говорил выше, изучение черных дыр, которые являются следствием теории относительности Эйнштейна, дает представление о природе гравитации, пространства и времени на самых фундаментальных уровнях. Как физики, мы еще не достигли полного понимания квантовой природы гравитации, и черные дыры являются ключом к разгадке этой тайны. "Что касается проблем, то я бы сказал, что, пожалуй, наиболее очевидной из них является то, что черные дыры можно наблюдать только косвенно. В отличие от звезд, которые сами по себе не излучают, астрономам трудно собирать данные о них. В лучшем случае мы можем наблюдать их влияние на окружающую среду (например, газ, звезды и т.д.) и делать выводы об их свойствах и поведении. "С теоретической точки зрения, хотя черные дыры действительно очень "просты" по сравнению со звездами, все же существуют проблемы. Математика и физика, которые их описывают, достаточно развиты, и даже компьютерное моделирование с их участием является сложной задачей, требующей огромных вычислительных мощностей и памяти".
Хотя между представлением Эйнштейном своей общей теории относительности в 1915 году и подтверждением существования гравитационных волн в 2016 году прошло более 100 лет, астрономам потребовалось всего три года, чтобы опубликовать первое прямое изображение черной дыры в центре галактики Мессье 87. Результаты были опубликованы в журнале Astrophysical Journal Letters и основаны на наблюдениях, сделанных в 2017 году мощным телескопом Event Horizon (EHT). В то время как Мессье 87 находится примерно в 53 миллионах световых лет от Земли, ближайшая предполагаемая черная дыра, Гайя BH1, находится примерно в 1560 световых годах от Земли. В 2022 году астрономы опубликовали прямое изображение Стрельца А*, который является сверхмассивной черной дырой в центре нашей галактики Млечный Путь.
Доктор Ханна говорит в интервью Universe Today: "Полагаю, я бы, вероятно, сослался на свою недавнюю работу о том, как очень быстро вращающиеся черные дыры пытаются "отрастить волосы", но в конечном итоге терпят неудачу. Проект интересен тем, что, по-видимому, предполагает нарушение теоремы об отсутствии волос, о которой я упоминал ранее, но, в конечном счете, это не так. Итак, это провокационно, но в то же время приносит облегчение! "Что еще более важно, сейчас мы используем основной контекст этого исследования для разработки новой наблюдательной "сигнатуры" или теста для быстро вращающихся черных дыр, или почти экстремальных черных дыр. Такие черные дыры обладают несколькими особыми свойствами и аспектами и являются областью активных исследований".
Черные дыры изучаются астрономами, физиками и астрофизичками, которые используют комбинацию теории и наблюдений, чтобы представить, как могут выглядеть черные дыры, и в редких случаях, как уже говорилось, получают их прямые изображения. Что касается теории, то исследователи используют математические расчеты и компьютерные модели, чтобы смоделировать, как могут выглядеть черные дыры, а затем использовали мощные наземные телескопы, такие как EHT, для получения нескольких прямых изображений черных дыр. Важно отметить, что на этих прямых изображениях запечатлена не сама черная дыра, а газы, которые окружают горизонт событий черной дыры, или неофициальную границу, где свет не может вырваться за пределы черной дыры. Но какой совет может дать доктор Ханна будущим студентам, желающим продолжить изучение черных дыр? Доктор Ханна говорит в интервью Universe Today: "Я бы очень их поддержал! В этой области предстоит многое сделать и разгадать множество тайн. Новые наблюдения откроют множество новых дверей и совершенно новых направлений для исследований. Это одно из лучших времен для того, чтобы заниматься астрофизикой черных дыр!"
Доктор Ханна продолжает: "Единственное, что я мог бы сказать, возможно, о чем не так много говорят в других источниках, - это о вычислениях как инструменте изучения черных дыр. В основном большое внимание уделяется изучению высшей математики как основы для серьезных исследований черных дыр — и на то есть веские причины, — которые по-прежнему имеют решающее значение для каждого изучающего теорию относительности Эйнштейна, лежащую в основе физики черных дыр. "В последние годы компьютерное моделирование стремительно развивается, и теперь можно делать важные открытия, касающиеся глубоких вопросов, используя вычислительные инструменты. В долгосрочной перспективе компьютерное программирование стало бы очень многообещающим инструментом для продвижения исследований в этой области, а также во многих других".
