Три неудобни въпроси, свързани с черна дупка

Астрономите (и цялото човечество) имат празник: Представена е първата снимка на черна дупка. Тя е създадена с помощта на Event Horizon Telescope (EHT), виртуален телескоп, състоящ се от няколко радиотелескопа по света. Изображението показва материал около супермасивна черна дупка в центъра на галактиката на разстояние от 55 милиона светлинни години. И да, черната дупка е концентрирана физика, луди гравитационни явления на ръба на възможни и невъзможни, екстремни условия. Но има няколко въпроса.

Трудно ли е да се види черна дупка, защото е черна?

Не. Това е, да. Вярно е, че черните дупки са черни. Обикновено виждаме всякакви звезди и всичко това, защото светлината, която те излъчват, идва в нашите телескопи (или директно в очите ни) и ние я регистрираме. Черните дупки са наистина черни. Те не отделят видима светлина (поради сложни гравитационни огнища), така че не се виждат.

Но това не е голям проблем. Ако имахме черна дупка в Слънчевата система, щяхте да я видите. Ще видиш кривината на пространството чрез неговото присъствие и ще видиш вещество, което се върти около тази фуния. Ако сте видели филма Interstellar, визуализацията на черна дупка е приблизително точно показана - това е направено с помощта на астрофизика Kip Thorn.

Черната дупка е трудно да се види, защото тямалка. Е, добре, не толкова мъничко като мравка, например. Тя е мъничка в смисъл, че е малка, ако го гледате от разстояние от един километър. Най-добрият термин е ъглов размер. Ако завъртите главата си в кръг, ще получите 360-градусов кръгов изглед (но не забравяйте да обърнете тялото, или ще обърнете шията). Ако държите палеца си на една ръка разстояние, той е около половин градус ъглов. Луната има същия ъглов размер, така че можете да го покриете с палеца си.

Какво ще кажете за размера на черна дупка? Да, тя е огромна. И тя е на разстояние от 55 милиона светлинни години. Това означава, че за да може светлината да стигне толкова далеч, ще са необходими 55 милиона години. Това е невероятно далеч. Но всъщност ние сме затруднени от ъгловия размер. Черна дупка (поне неговата видима част) има ъглов размер от около 40 микросекунди.

Какво е микросекунда? Както знаете, кръгът е разделен на градуси (и за дълго време). Всяка степен може да бъде разделена на 60 ъглови минути, а всяка минута е 60 дъгови секунди. Ако счупите една секунда на милион части, ще получите микросекунда. Не забравяйте, че ъгловият размер на Луната - 0.5 градуса (когато се гледа от Земята)? Това означава, че ъгловият размер на Луната е 45 милиона пъти по-голям от размера на черната дупка. Черната дупка е малка по отношение на ъгловите размери.

Но това не е всичко. Поради дифракцията не можем да видим неща с малки ъглови измерения. Когато светлината минава през дупка (например, тя влиза в телескоп или око), тя е разпръсната. Той се огъва по такъв начин, че да пречи на останалата част от светлината, която минава през отвора. В случая на окото, това означава, че хората могат да направят обекти с ъглови размери от около 1 дъга.

И това също означава, че нещо толкова малък ъгъл размери, като черна дупка, е трудно да се улови на снимката.

Как да се преодолее дифракционната граница?

Да кажем. Нещата с малки ъглови размери са много трудно да се видят - как можем да видим материала около черната дупка? Ъгловата разделителна способност на телескопа всъщност зависи само от две неща: размера на дупката и дължината на вълната на светлината. Използването на по-къси вълни (като ултравиолетови или рентгенови лъчи) дава по-добра резолюция. Но в този случай телескопът използва дължината на вълната на светлината в милиметровия диапазон. Това е доста дълга дължина на вълната в сравнение с видимата светлина, която е в диапазона от 500 нанометра.

А това означава единственият начинда преодолее дифракционната граница - да направиш по-голям телескоп. Това е, което те направиха с Event Horizon Telescope. Всъщност, това е телескоп с размерите на Земята. Лудост, но вярно. Чрез получаване на данни от няколко телескопа в различни части на света можете да комбинирате данните, за да ги превърнете в данни от един телескоп GIANT. Вярно е, че трябва да се опитаме. Но с този метод има проблеми. Само с няколко телескопа групата EHT използва редица аналитични методи, за да създаде най-вероятния образ от събраните данни. Така те успяха да "изтеглят" материала около черната дупка.

Дали това е истинска снимка на черна дупка?

Ако погледнете през телескоп и вижте Юпитер, виевсъщност виждам Юпитер. Забележка: Ако все още не сте го направили, не забравяйте да опитате. Това е страхотно. Слънчевата светлина се отразява от повърхността на Юпитер и след това преминава през телескоп в окото. Boom. Юпитер. Той е истински.

Но с черна дупка всичко е малко погрешно. Изображението, което виждате, не е дори във видимия диапазон. Това е радиоизображение, създадено от дължините на вълната на светлината. Каква е разликата между радиовълните и обикновената видима светлина? Всъщност разликата е само в дължината на вълната.

Светлинните и радиовълните са електромагнитнивълните. Това е разпространението на променливо електрическо поле заедно с различно магнитно поле (в същото време). Тези вълни се движат със скоростта на светлината - защото са светли. Въпреки това, тъй като радиото и видимата светлина имат различни дължини на вълните, те взаимодействат по различен начин с материята. Ако включите радиото у дома, ще получите сигнал от най-близката радиостанция. Тези радио вълни минават през стените. И видими - не мине.

Същото се отнася и за изображенията. Ако имате видима светлина от обект, можете да я видите със собственото си око и да запишете това изображение на филм или с цифров рекордер. Това изображение може да се покаже на екрана на компютъра и всъщност да се види. Нещо като това можете да видите снимка на луната.

Що се отнася до материала около черната дупка, това не е такавидимо изображение. Това е радиоизображение. Всеки пиксел на картината представлява определена дължина на вълната, но радио вълни. Оранжевите части са фалшиво цветово представяне с дължина на вълната 1 милиметър. Същото се случва, когато искаме да „видим” изображение в инфрачервения или ултравиолетовия обхват. Трябва да превърнем тези дължини на вълните в това, което можем да видим.

Така че тази снимка на черна дупка не е обикновена снимка. Не можете да го видите, ако погледнете през телескоп. Но все пак е страхотно. Наистина ли? Нека обсъдим в нашия чат в Telegram.