Каковы доказательства существования сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути?

Черные дыры нельзя увидеть, потому что они не излучают видимый свет или какое-либо электромагнитное излучение.

Это не совсем правильно в том смысле, что видимый свет испускается при захвате заряженной материи из излучения, попадающего в сильный гравитационный потенциал черной дыры, но он недостаточно силен, чтобы характеризовать открытие черной дыры. . Рентгеновские лучи также испускаются, если ускорение заряженных частиц велико, как и ожидается притягивающим стоком черной дыры.

Подозрение о существовании черной дыры возникает из-за кинематических нарушений орбит. Например:

Допплеровские исследования этого голубого сверхгиганта в Лебеде показывают, что он находится на орбите вокруг невидимого компаньона в течение 5,6 дней.

.....

1. Источник рентгеновского излучения был обнаружен в созвездии Лебедя в 1972 году (Лебедь X-1). Источники рентгеновского излучения являются кандидатами на роль черных дыр, потому что материя, поступающая в черные дыры, будет ионизирована и сильно ускорена, производя рентгеновские лучи.

2. Была обнаружена голубая звезда-сверхгигант, примерно в 25 раз превышающая массу Солнца, которая, по-видимому, вращается вокруг источника рентгеновского излучения. Значит, есть что-то массивное, но несветящееся (нейтронная звезда или черная дыра).

3. Доплеровские исследования голубого сверхгиганта указывают на период обращения вокруг темного объекта в 5,6 дня. Использование периода плюс спектральные измерения орбитальной скорости видимого спутника приводит к расчетной массе системы около 35 солнечных масс. Расчетная масса темного объекта составляет 8-10 масс Солнца; слишком массивна, чтобы быть нейтронной звездой, которая имеет предел примерно в 3 массы Солнца - отсюда и черная дыра.

Это, конечно, не доказательство существования черной дыры, но убеждает большинство астрономов.

Еще одним доказательством того, что невидимый объект является черной дырой, является излучение рентгеновских лучей от его местоположения, что свидетельствует о температуре в миллионы кельвинов. Этот источник рентгеновского излучения демонстрирует быстрые изменения с временными масштабами порядка миллисекунды. Это предполагает, что источник не больше световой миллисекунды или 300 км, поэтому он очень компактен. Единственные известные нам возможности, которые могли бы поместить столько материи в такой небольшой объем, — это черные дыры и нейтронные звезды, и все согласны с тем, что нейтронные звезды не могут быть массивнее, чем примерно 3 массы Солнца.

Из часто задаваемых вопросов: какие у нас есть доказательства существования черных дыр? , сначала в поиске Google:

Астрономы нашли убедительные доказательства существования сверхмассивной черной дыры в центре нашей собственной галактики Млечный Путь, галактики NGC 4258, гигантской эллиптической галактики M87 и ряда других. Ученые подтвердили существование черных дыр, изучив скорость газовых облаков, вращающихся вокруг этих областей. В 1994 году данные космического телескопа Хаббла измерили массу невидимого объекта в центре M87. Судя по движению материала, вращающегося вокруг центра, масса объекта оценивается примерно в 3 миллиарда раз больше массы нашего Солнца, и кажется, что он сконцентрирован в пространстве меньшем, чем наша Солнечная система.

Опять же, только черная дыра соответствует этим данным в нашей общей модели относительности Вселенной.

Таким образом, данные о нашей галактике основаны на кинематическом поведении звезд и звездных систем в центре нашей галактики.

Если бы черная дыра находилась в глуши и ее не окружала никакая материя, то ее действительно было бы довольно трудно наблюдать. Любая черная дыра со значительной массой излучает очень маленькое количество излучения Хокинга, вот и все. Однако черная дыра в центре нашей галактики окружена материей. Таким образом, мы можем наблюдать его по его гравитационному притяжению к этой материи.

Сначала вы смотрите на окружающие звезды и обнаруживаете, что они вращаются вокруг чего-то.

Периоды небольшие: S2 совершает полный оборот всего за 15,2 года (наблюдения за 15 лет можно увидеть в этом ролике , спасибо luk32 за ссылку на изображение). Такие короткие периоды орбит означают наличие сверхмассивного объекта:

Но в окрестностях черной дыры также есть материя. Под его огромным гравитационным притяжением большая часть материи рассеивается, в то время как небольшая часть движется по спирали, пока не упадет на черную дыру в процессе, известном как аккреция. Падающее вещество излучает в основном в радиодиапазоне, что приводит к потере энергии и дальнейшему падению. Мы можем видеть это излучение от аккрецирующего вещества.

Однако мы не видим излучения объекта, на который падает это вещество. Из-за всего этого падающего материала, спрессованного на поверхности и перегретого, любой обычный предмет будет очень ярким. Вместо этого очень тускло, как будто вся эта материя просто исчезла в какой-то момент. Это согласуется с существованием горизонта черной дыры.

Аналогичный принцип работает и для других кандидатов в черные дыры. Мы можем наблюдать его гравитационное притяжение к окружающему веществу и излучение аккреционного диска в его окрестностях.

Стрелец A* (черная дыра в центре нашей галактики) имеет одни из лучших наблюдательных данных о черной дыре, которые я когда-либо видел. Здесь посмотрите анимации из UCLA .сделанные по нашим наблюдениям. Это данные, полученные за 20 лет. Вы можете видеть яркие пятна (звезды), вращающиеся вокруг участка небытия. Те, что подходят совсем близко, мчатся с какой-то безумной скоростью, но быстро замедляются по мере удаления. Очевидно, что то, что находится в центре, имеет приличную массу. Но заметьте также, что кажется, что звезды всегда движутся вокруг чего-то, что находится в мертвой точке (и их орбиты представляют собой эллипсы, что показывает, что мы не просто перемещаем камеру, чтобы удерживать ее в центре). Учтите, что масса этих звезд должна быть безумно мала по сравнению с массой центрального тела, иначе оно будет выброшено в космос в другом направлении, когда одна звезда подойдет очень близко.

Итак, здесь вы можете увидеть массивные звезды, вращающиеся вокруг чего-то, что не излучает свет и должно быть на несколько порядков массивнее, чем любая из окружающих его звезд. Кажется, это соответствует профилю черной дыры. Кроме того, масса, которую, по нашим расчетам, она должна иметь, достаточно высока, чтобы все, что массивно и компактно, должно было коллапсировать в черную дыру.

PS Если вы не смотрели видео, сделайте это. Они великолепны; Я их люблю.

Краткий ответ: существуют убедительные доказательства существования сверхмассивного темного компактного объекта в центре Млечного Пути, однако вывод о том, что этот компактный объект является черной дырой (и, следовательно, имеет горизонт), далеко не установлен. Более того, утверждение «черные дыры существуют в нашей Вселенной» может быть принципиально нефальсифицируемым, но альтернативы черным дырам могут быть исключены или подтверждены экспериментами.

Более длинный ответ. В центре нашей Галактики находится кандидат в сверхмассивные черные дыры , который лучше всего ограничен наблюдениями среди других предполагаемых черных дыр. Его масса и расстояние были точно определены по орбитам ближайших звезд и исследованиям его собственного движения, и было установлено, что высокочастотное радиоизлучение, а также весьма изменчивое ближнее инфракрасное и рентгеновское излучение этого объекта исходят с расстояния в несколько радиусы этого очень компактного объекта.

Другие ответы перечисляют это свидетельство более подробно, но позвольте мне подчеркнуть следующее: все это свидетельствует о массивном темном компактном объекте , а не обязательно о черной дыре.

Если мы допускаем справедливость классической общей теории относительности, есть только одна возможная интерпретация: в центре нашей галактики есть черная дыра. Однако всегда существует вероятность того, что есть какая-то новая физика, которая становится актуальной в ситуациях, когда черная дыра могла бы образоваться в обычном ОТО, физика, которая, возможно, предотвратила бы формирование горизонта, определяющей черты черной дыры.

Итак, что может быть альтернативой черной дыре? Общее название – экзотический компактный объект (ЭКО). Его можно рассматривать как две склеенные области: внешний вид решения черной дыры, начинающийся с некоторого расстояния$r_g\cdot\epsilon$(куда$r_g$радиус Шварцшильда для данной массы ECO ) предполагаемого горизонта и внутренней части, составленной из какого-то экзотического материала таким образом, что не приводит к образованию горизонтов. Если параметр$\epsilon$достаточно мала, то большинство характеристик, которые можно было бы ожидать от черных дыр: сильное гравитационное линзирование, общерелятивистское поведение орбит вблизи ОЭС, включая фотонную сферу , эргосферу , образование гравитационных волн при слиянии сталкивающихся ОЭС и т. д. в такого рода объектах.

В классической ОТО ни один сигнал (ЭМ или ГВ) не может покинуть поверхность горизонта. Таким образом, для любого заданного эффекта черной дыры можно было бы выбрать достаточно маленькую$\epsilon$так что было бы невозможно отличить настоящую черную дыру от гипотетического ЭКО, у которого нет горизонта, а это означает, что существование черных дыр невозможно опровергнуть.

Существуют различные теоретические модели, которые приводят к образованию ОЭС вместо черных дыр. Большинство из них основаны на несколько спекулятивных предположениях о поведении той или иной модели квантовой гравитации (или специфических свойств содержания материи) в сильном режиме.

Обзор различных типов альтернатив черных дыр можно найти в недавней статье:

• Кардосо, В., и Пани, П. (2017). Тесты на существование черных дыр через эхо гравитационных волн . Nature Astronomy, 1(9), 586, doi , arXiv , расширенная версия .

Эта статья вполне доступна и имеет следующий рисунок, дающий обзор различных типов ECO:

Пример:$2-2$дырка , вот предложение по конкретному типу ЭКО (выбрано в основном потому, что раньше такого не видел):

• Холдом, Б., и Рен, Дж. (2017). Не совсем черная дыра . Physical Review D, 95(8), 084034, doi , arXiv .

Он основан на предполагаемой аналогии между квантовой хромодинамикой и квадратичной квантовой гравитацией: выше определенного масштаба$\Lambda_{QQG}$Квантовая гравитация демонстрирует призраков со спином 2. Таким образом, режим сильной гравитации будет сильно отличаться от инфракрасного режима, который представляет собой классическую квадратичную гравитацию. А$2-2$дыра - это решение, которое является внешним видом решения Шварцшильда примерно до планковской длины предполагаемого горизонта, в то время как внутри находится фаза сильной квантовой гравитации без горизонта:

Экспериментальные тесты Хотя существует множество моделей для различных типов ECO, их можно ограничить экспериментами:

• Быстро вращающиеся ECO часто проявляют нестабильность и теряют угловой момент. Наблюдение за большим угловым моментом кандидатов в черные дыры исключает такие модели.

• Слияние ECO будет иметь эхо в сигнатуре гравитационных волн. Анализ данных LIGO и будущих детекторов GW может подтвердить или опровергнуть некоторые модели ECO. См., например, эту статью:

  Абеди, Дж., Дайкаар, Х., и Афшорди, Н. (2017). Эхо бездны: предварительное свидетельство планковской структуры горизонтов черных дыр. Physical Review D, 96(8), 082004, doi .

• Предлагаемый телескоп Event Horizon может собирать данные об ОЭС.

Таким образом, это кустарное производство альтернатив черных дыр в основном движимо надеждой (пусть и небольшой), что наблюдения за структурой, близкой к предполагаемому горизонту, дадут нам окно в квантовую гравитацию.

Прежде всего, аккреционные диски черных дыр излучают излучение. Это один из способов, который астрономы используют для обнаружения черных дыр, то есть наблюдая приходящее излучение. Другой способ — сравнить движение объектов с ожидаемым движением объектов вблизи черных дыр. Это относится к вашему вопросу: многие астрономы заметили, что движение звезд вблизи центра нашей галактики соответствует ожидаемому движению звезд в присутствии черных дыр. Это свидетельствует о наличии массивной черной дыры в центре Млечного Пути.

Черные дыры подобны вашим любящим дэт-метал соседям, которые никогда не покидают свою квартиру: вы их не видите, но точно знаете, что они там.

Когда вы утверждаете, что «черные дыры нельзя увидеть, потому что они не излучают никакого электромагнитного излучения», вы номинально правы: количество излучения Хокинга, которое излучают большие дыры, настолько мало, что они фактически образуют тень на фоне микроволнового фона.

Но черные дыры взаимодействуют гравитационно со своим окружением драматическим образом. Потустороннее ускорение материи, движущейся по орбите и падающей в черную дыру, может привести к довольно впечатляющим выбросам излучения. В этой статье 2015 года сообщается о рентгеновском излучении, наблюдаемом обсерваторией Чандра в радиогалактике Пиктор А. Гипотеза состоит в том, что рентгеновское излучение представляет собой синхротронное излучение, возникающее в струе частиц высокой энергии, которая, в свою очередь, возникает вблизи черной дыры. в центре галактики.

Чтобы получить некоторое представление о масштабе событий, давайте рассмотрим несколько цифр.

• Мощность наблюдаемого излучения оценивается примерно в 2*10 ³⁵ Вт. Это в полмиллиарда раз больше энергии, вырабатываемой Солнцем .
• Наблюдаемое излучение составляет лишь небольшую часть мощности струи, которая, по оценкам, в 100 или 1000 раз больше. Это сделало бы выходную энергию лучей равной выходной энергии небольшой звездной галактики.
• Пучок имеет диаметр в несколько килопарсеков. Это делает его шире, чем высота нашей галактики, и составляет значительную часть диаметра нашей галактики.

Никакие известные механизмы за пределами черных дыр не могли бы повлиять на что-либо в таком масштабе. Вы знаете, что ваши соседи там, потому что они производят больше шума, чем вся остальная часть вашего многоквартирного дома.