Что такое черная дыра?
Источник: Наука и Технологии
Источник: Наука и Технологии
Технология, которая создает сжатый свет в вакуумной камере LIGO. Снимок был сделан с одного из обзорных экранов камеры в то время, когда "соковыжималка" работала и накачивалась зеленым светом.
В 2015 году Лазерно-интерферометрическая гравитационно—волновая обсерватория (LIGO) вошла в историю, когда впервые напрямую обнаружила гравитационные волны - рябь в пространстве и времени, создаваемую парой сталкивающихся черных дыр.
С тех пор LIGO и его дочерний детектор в Европе Virgo обнаружили гравитационные волны от десятков слияний черных дыр, а также от столкновений между родственным классом звездных остатков, называемых нейтронными звездами. В основе успеха LIGO лежит его способность измерять растяжение и сжатие ткани пространства-времени в масштабах, в 10 тысяч триллионов раз меньших размера человеческого волоса.
Какими бы непостижимо малыми ни были эти измерения, точность LIGO по-прежнему ограничена законами квантовой физики. В очень крошечных, субатомных масштабах пустое пространство заполнено слабым "потрескиванием" квантового шума, который мешает измерениям LIGO и ограничивает чувствительность обсерватории.
Теперь, в статье, принятой к публикации в Physical Review X, исследователи LIGO сообщают о значительном прогрессе в квантовой технологии под названием "сжатие", которая позволяет им обойти этот предел и измерить колебания в пространстве-времени во всем диапазоне гравитационных частот, обнаруженных LIGO.
Эта новая технология "частотно-зависимого сжатия", действующая в LIGO с момента возобновления ее работы в мае 2023 года, означает, что детекторы теперь могут исследовать больший объем Вселенной и, как ожидается, обнаружат примерно на 60% больше слияний, чем раньше. Это значительно повышает способность LIGO изучать экзотические события, которые сотрясают пространство и время.
"Мы не можем контролировать природу, но мы можем контролировать наши детекторы" - Лиза Барсотти, старший научный сотрудник Массачусетского технологического института.
"Теперь, когда мы превзошли этот квантовый предел , мы можем гораздо больше заниматься астрономией" - объясняет Ли Маккаллер, доцент кафедры физики Калифорнийского технологического института и один из руководителей нового исследования. "LIGO использует лазеры и большие зеркала для проведения своих наблюдений, но мы работаем на уровне чувствительности, который означает, что устройство подвержено влиянию квантовой сферы".
Полученные результаты также имеют значение для будущих квантовых технологий, таких как квантовые компьютеры и другая микроэлектроника, а также для фундаментальных физических экспериментов. "Мы можем взять то, чему научились у LIGO, и применить это к задачам, требующим измерения расстояний субатомного масштаба с невероятной точностью", - говорит Маккаллер.
Законы квантовой физики диктуют, что частицы, включая фотоны, будут случайным образом появляться в пустом пространстве и вылетать из него, создавая фоновое "потрескивание" квантового шума, которое вносит уровень неопределенности в лазерные измерения LIGO. Квантовое сжатие, уходящее корнями в конец 1970-х годов, представляет собой метод подавления квантового шума, или, более конкретно, для перемещения шума из одного места в другое с целью проведения более точных измерений.
Термин "сжимание" относится к тому факту, что светом можно манипулировать, как животным из воздушного шарика. Чтобы сделать собаку или жирафа, можно зажать одну секцию длинного воздушного шарика в маленьком точно расположенном суставе. Но тогда другая сторона воздушного шара увеличится до большего, менее точного размера. Свет можно аналогичным образом сжать, чтобы он был более точным по одному признаку, такому как его частота, но в результате он становится более неопределенным по другому признаку, такому как его мощность. Это ограничение основано на фундаментальном законе квантовой механики, называемом принципом неопределенности, который гласит, что вы не можете знать одновременно положение и импульс объектов (или частоту и мощность света).
С 2019 года двойные детекторы LIGO сжимают свет таким образом, чтобы улучшить свою чувствительность к верхнему частотному диапазону гравитационных волн, которые они обнаруживают. Но точно так же, как сжатие одной стороны воздушного шара приводит к расширению другой стороны, сжатие света имеет свою цену. Сделав измерения LIGO более точными на высоких частотах, измерения стали менее точными на более низких частотах.
Галактика, находящаяся в 54 млн световых лет от Солнца, рядом с галактикой M60 (NGC 4649) в скоплении Девы.
Диаметр составляет лишь 300 световых лет — 1/500 диаметра Млечного Пути. Галактика содержит около 140 млн звезд. Это самая маленькая и плотная известная галактика, обладающая сверхмассивной черной дырой.
Ecли бы вы жили внутpи этoй кapликoвoй гaлaктики, нoчнoe нeбo ocлeпилo бы миллиoнoм звёзд, видимыx нeвoopужeнным глaзoм. Кстати, с Земли видно лишь около 3000 звёзд
В центре галактики 3C303 была обнаружена сверхмассивная черная дыра. Особенной ее делают магнитные поля, которые генерируют самый сильный электрический ток за всю историю Вселенной — 10 в 18-й степени ампер. Сила этого тока эквивалентна силе тока триллиона молний на Земле.
Согласно одной из теорий, галактические ядра - это первичные черные дыры, вокруг которых образовались галактики из материи, сформировавшейся во время Большого взрыва. Подобно тому, как планетарные системы образовались из газово-пылевого диска вокруг звезды.
Первичная черная дыра - это гипотетический тип черной дыры, которая образовалась не в результате гравитационного коллапса большой звезды, а в сверхплотной материи во время начального расширения Вселенной
Действительно, у фотона нет массы, и, казалось бы, гравитация на него не должна действовать.
Тогда почему говорят, что свет не может покинуть черную дыру?
Дело в том, что массивные тела искривляют пространство-время.
А в искривленном пространстве свет может двигаться уже не по прямой, а по искривленной траектории, даже по замкнутой.
Этот эффект подтвержден экспериментально: например, свет от далеких звезд искривляется, когда проходит вблизи Солнца.
А вот около черной дыры пространство искривлено настолько сильно, что свет просто не может, грубо говоря, взобраться на слишком крутую стену искривленного пространства. Вот истинная причина черноты черных дыр.
Эта анимация прекрасно иллюстрирует эффект гравитационного линзирования. Предполагается, что в этом примере чёрная дыра имеет радиус, равный радиусу Земли. Тогда масса черной дыры будет составлять около 2000 масс Солнца. Земля вращается на расстоянии трёх радиусов Шварцшильда (ближайшая устойчивая круговая орбита), и мы наблюдаем за ней в состоянии покоя с дистанции в 5 радиусов Шварцшильда. При этих условиях мы бы увидели, как Земля оборачивается вокруг черной дыры 80 раз в секунду!
Однако эта анимация условно реалистична. На самом деле Земля была бы разорвана на части приливными силами примерно за один оборот, если бы она вращалась настолько близко к черной дыре с такой массой.
Вселенная расширяется, галактики разбегаются друг от друга. Быть может, скорость расширения замедлится, дойдёт до нуля, а затем пойдёт в обратном направлении.
Вселенная может начать сжиматься, постепенно схлопываясь в черные дыры. И эти чёрные дыры сольются в одну. Эта гипотеза носит название «Большое сжатие».