В этой статье мы разберём, как устроены чёрные дыры на самом деле — от горизонта событий до сингулярности. Вы узнаете про аномалию QSO1, первичные дыры из эпохи Большого взрыва, проблему последнего парсека, информационный парадокс и даже гипотезу, что наша Вселенная находится внутри чёрной дыры.
В первой статье я собрал историю экспериментов по определению скорости света. Во второй сфокусируюсь на экспериментах, подтверждающих так называемый второй постулат Эйнштейна. Имеет смысл коротко напомнить содержание предыдущей серии.
Основные даты, имеющие отношение к определению скорости света приведены ниже.
10 января 2024 года тусклая звезда в созвездии Близнецов начала исчезать. Не резко, не сразу, а постепенно — её свет плавно угасал, как будто что-то тёмное скользило перед ней. На трёх станциях по всей Японии астрономы наблюдали кривые блеска на своих мониторах и увидели то, чего не ожидали: постепенное угасание там, где, согласно законам физики, должно было произойти резкое исчезновение. Угасание, которое могло означать только одно. Объект, прошедший перед этой звездой, обладал атмосферой.
Объектом, ответственным за это, был (612533) 2002 XV93 — глыба изо льда и камня диаметром примерно 500 километров, вращающаяся вокруг Солнца за пределами орбиты Нептуна, в области настолько холодной, что температура там примерно на 47 градусов выше абсолютного нуля (около 47 К). Согласно любой стандартной модели планетологии, столь малое и холодное небесное тело не должно обладать атмосферой. Его гравитация слишком слаба, а поверхность слишком заморожена. И всё же атмосфера там была.
Прошло уже полвека после того, как лунный модуль «Аполлона-17» НАСА взлетел с северо-восточного квадранта видимой стороны Луны, а планетологи всё ещё до конца не разобрались в том, когда и как образовалась наша Луна.
Они сходятся во мнении, что в этом процессе участвовал крупный ударный объект — получивший от учёных название Тея, — который, вероятно, столкнулся с Землёй около 4,51 миллиарда лет назад. Однако оценки размеров Теи сейчас варьируются от объекта размером с Меркурий до объекта, который был примерно вдвое меньше современной Земли. Последние гидродинамические модели указывают на то, что более крупный ударный объект даёт наиболее правдоподобное объяснение тому, почему лунные породы, привезённые «Аполлоном», кажутся настолько химически сходными с тем, что мы находим в богатых оливином вулканических базальтах здесь, на Земле.
Долгое время было сложно определить, насколько далеко простирается диск Млечного Пути; он не заканчивается резко, скорее его края постепенно истончаются и исчезают. И вот, впервые международная группа астрономов определила край звёздообразующего диска нашей Галактики, изучив возраст звёзд, и выявила, что основная часть звездообразования в Млечном Пути происходит в пределах 40 000 световых лет от галактического центра.
Исследователи использовали новый подход, сочетающий анализ возрастов ярких гигантских звёзд с передовыми компьютерными симуляциями эволюции галактик. Этот метод выявил «U-образную» картину распределения возрастов звёзд, которая точно определяет границу звёздообразующих областей Млечного Пути.
Исследование, опубликованное в журнале Astronomy & Astrophysics, было проведено под руководством доктора Карла Фитени (Центр астрофизики озера Комо, Университет Инсубрии) в рамках его докторской диссертации в Мальтийском университете под руководством профессора Джозефа Каруаны (Мальтийский университет) и профессора Виктора П. Дебаттиста (Университет Ланкашира). Работа была выполнена совместно учреждениями Мальты, Великобритании, Италии, Китая, Швейцарии, США, Бразилии и Чили.
Лучшие умы человечества столетиями доказывали людям их заурядность. Нет, Солнце, Луна, планеты и звёздная сфера не вращаются вокруг Земли. Нет, Солнце тоже не центр мира. Нет, наш Млечный Путь — не пуп Вселенной, а лишь обыкновенная спиральная галактика на скромной ветке сверхскопления Девы, в исполинской Ланиакеи, затягиваемой тёмным потоком куда-то в недра Великого Аттрактора. Мы поверили в собственную заурядность и распрощались с неуёмной гордыней наших предков. Мы — лишь пылинка в бесконечных сотах бескрайней космической паутины.
Но теперь Вселенная, кажется, решила над нами посмеяться. Представьте, что весь этот исполинский космический механизм почему-то знает о существовании Солнца и Земли. На самых огромных масштабах, вплоть до границ наблюдаемого космоса, прочерчена невидимая генеральная ось Вселенной, и она, вопреки логике и здравому смыслу, проходит прямо через наш дом. Это звучит как безумие: почему параметры системы, заложенные в момент рождения Вселенной 13,8 миллиарда лет назад, должны подгоняться под положение какой-то рядовой звезды, и под плоскость орбиты какой-то рядовой планеты? Мы словно снова оказались в центре мироздания, из которого нас так долго и упорно гнали.
Ранее на Хабре я несколько раз затрагивал тему скрытой массы Вселенной. Скрытая масса также известна под названием «тёмная материя»; этот термин (dunkle Materie) предложил в 1933 году швейцарский астрофизик Фриц Цвикки. Из наиболее экзотических гипотез, потенциально объясняющих тёмную материю, я успел рассмотреть теорию симметронов, которую сформулировали в 2022 году Аниш Найк и Клэр Бэррейдж. Также я описывал модель, согласно которой избыточная масса может объясняться вращением Вселенной. На мой взгляд, одну из лучших обобщающих статей по тёмной материи «Cага о первичных чёрных дырах: призрак Стивена Хокинга и генезис невидимой Вселенной» написал на Хабре уважаемый Валерий Исаковский @valisak, вне Хабра я бы рекомендовал почитать на эту тему статьи «Тёмная материя и тёмная энергия» с сайта «Эпизоды космонавтики», а также переводной материал о Фрице Цвикки «Сверхновая, альпийское восхождение и космическая эпопея» (Оливер Нилл) с сайта «Методолог», лежащий в Интернете с 1998 года.
Все эти нестыковки с «лишней массой» возникают из-за того, что мы не вполне понимаем суть гравитации, в частности, чрезвычайную слабость гравитации в сравнении с другими фундаментальными взаимодействиями, а также неограниченный предел действия гравитации. В этой статье попробуем обсудить, какие свойства приписываются гравитону — гипотетической частице, которая может являться как переносчиком гравитационного взаимодействия, так и именно той неучтённой материей, на которую приходится скрытая масса, какие эксперименты могли бы проверить существование гравитона. Вот уже более десяти лет минуло с открытия гравитационных волн, а гравитон по-прежнему не желает соскакивать с кончика пера.
Когда очень массивные звёзды достигают конца своей жизни, они взрываются как сверхновые, разбрасывая по космосу такие элементы, как углерод и железо. Другой, более редкий тип взрывов случается, когда сталкиваются две нейтронные звезды — плотные остатки мёртвых звёзд. Это явление, известное как килоновая, производит ещё более тяжёлые элементы, такие как золото и уран. Эти материалы служат необходимыми ингредиентами для формирования звёзд, планет и, в конечном счёте, всего, что мы видим вокруг себя.
На данный момент учёные подтвердили лишь один явный случай килоновой. Это событие, получившее название GW170817, произошло в 2017 году в результате слияния двух нейтронных звёзд. В ходе столкновения были испущены как гравитационные волны, так и свет, что позволило исследователям наблюдать его с помощью различных методов. Гравитационные волны были обнаружены Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO) Национального научного фонда и её европейским партнёром Virgo, а телескопы по всему миру зафиксировали свет от взрыва.
С запуском «Артемиды-2» в апреле 2026 года человечество возобновило историческую традицию, заложенную в конце 1960-х — начале 1970-х годов: мы снова возвращаемся к Луне. С прошлой высадки прошло больше полувека. В эпоху «Аполлона» лишь 24 человека летали в окрестности Луны, удаляясь от Земли на сотни тысяч километров. Двенадцать из них в ходе шести миссий действительно ступили на лунную поверхность. За это время на Луне осталось множество артефактов: флаги, фотографии, сейсмометры, зеркала и даже транспортные средства. А ещё астронавты привезли обратно камни, грунт и настоящие «кусочки» Луны. (В начале этого десятилетия Китай также провёл автоматическую миссию по доставке образцов с обратной стороны Луны.)
Из всех ныне живущих людей менее 25% достаточно взрослые, чтобы помнить эти знаковые моменты истории — как человечество отправилось на Луну и высадилось на неё в конце 1960-х — начале 1970-х. Неудивительно, что некоторые люди — в основном те, кто слишком молод, чтобы пережить те события, — скептически относятся к тому, что высадки на Луну вообще имели место. К счастью, наука позволяет нам не лететь туда лично, чтобы иметь доказательства. Вот четыре независимых аргумента, подтверждающих, что высадки на Луну действительно произошли.
Как известно, галактика Млечный Путь имеет выраженно плоскую (дисковидную) форму, так как диаметр его составляет около 100 000 световых лет, а толщина — всего лишь 1000 световых лет. Тем непостижимее кажутся два огромных двойных облака, простирающихся от центра нашей Галактики на север (вверх) и на юг (вниз) от плоскости её диска. Эти структуры были открыты в 2010 году в гамма-диапазоне при анализе наблюдений космического гамма-телескопа «Ферми» и названы «пузырями Ферми». В 2020 году российско-германский космический телескоп EROSITA открыл ещё более крупные пузыри рентгеновского излучения, охватывающие пузыри Ферми как внешняя оболочка. Получилась такая картина:
21 апреля здесь, в Центре космических полётов имени Годдарда НАСА, я наблюдала, как учёные с гордостью стояли вокруг металлического устройства с высокими оранжевыми солнечными панелями и сверкающим серебристым основанием. Прямо передо мной в стерильно-чистой белой комнате сиял космический телескоп имени Нэнси Грейс Роман — наконец-то, в полной готовности.
«Я очень надеюсь, что самые захватывающие научные открытия, которые принесёт „Роман“, будут связаны с тем, чего мы не ожидали, что мы не могли предсказать, но что поставит новые обширные вопросы, на которые предстоит ответить будущим миссиям», — сказала Джули МакЭнери, старший научный сотрудник проекта «Роман», во время пресс-конференции во вторник.
Названный в честь первой руководительницы астрономического отдела НАСА и первой женщины, занявшей руководящую должность в агентстве, этот космический телескоп должен стать ещё одним ценным инструментом в стремлении человечества понять истинную природу Вселенной. Он встанет в один ряд с другими нашими мощными роботизированными «глазами» в небе — такими знаменитыми инструментами, как космический телескоп Джеймса Уэбба, SPHEREx, космический телескоп «Евклид» и даже старый, но всё ещё впечатляющий «Хаббл». Однако, как и в случае с каждой из этих знаковых обсерваторий, у этой новой есть свои особенности.
Планета Земля, как и любое другое астрономическое тело, можно назвать живым, по крайней мере в метафорическом смысле. Земля — это не просто камень, плавающий в безграничном космосе, а сложная система, состоящая из нескольких слоев, идущих к ее центру. В каждом из них протекают процессы, которые нам известны, но порой мало изучены. Ученые из Американского сейсмологического общества (Олбани, Калифорния, США) провели масштабное исследование мантии Земли, в ходе которого подтвердили теорию о том, что на глубине в тысячи километров погребены утраченные тектонические плиты. Какие данные использовались в исследовании, и что именно удалось выяснить ученым? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Это перевод работы группы астрономов и астробиологов, в которой рассматривается потенциал фундаментальных моделей (крупных нейросетей, обученных на больших массивах данных) для астробиологических исследований. Такие гибкие модели уже разрабатываются в NASA, они открывают новые возможности для быстрого создания приложений, интегрирующих разнородные мультимодальные данные. В статье представлены выводы и описаны ключевые направления для создания специализированной LLM, решающей задачи поиска биосигнатур, планирования космических миссий и обработки научной информации для нужд астробиологии.
Фактически, речь идёт о разработке специализированного суперинтеллекта‑помощника астробиолога, в т.ч. интеллекта, работающего автономно на космических аппаратах (каким мы его видим в фантастических фильмах про космические миссии). Для всех, интересующихся [корректным и осторожным] использованием ИИ для анализа астрономических данных.
Почти три года назад космическая частица попала в Средиземное море и активировала ещё не достроенный детектор Кубического Километрового Нейтринного Телескопа (KM3NET) у побережья Сицилии. Это было нейтрино — элементарная частица, известная тем, что почти беспрепятственно проходит сквозь любое вещество.
Обсерватория IceCube в Антарктиде, аналогичный детектор, работающий уже более десяти лет, обнаружила сотни космических нейтрино, однако ничего подобного среди них не было. Эта частица примерно в 35 раз мощнее любого ранее зафиксированного нейтрино и она могла вылететь из высокоактивной галактики — блазара — или из фонового источника космических высокоэнергетических частиц, которые, как подозревают учёные, пронизывают весь космос.
Но это не единственные возможности. На следующий день после того, как коллаборация KM3NET сообщила об открытии, физик Дэвид Кайзер поделился с коллегами неожиданной идеей: а что если это мощное нейтрино произошло от взорвавшейся первичной чёрной дыры?
Луна покрыта реголитом — слоем пыли, камней и песка от двух метров до десятков. Так вот, из реголита, кажется, научились добывать кислород. Blue Origin заявила о разработке реактора, переплавляющего лунный грунт в кучу полезных минералов с бонусом в виде заветного O₂.
Детище Джефа Безоса в подобной технологии не пионер, но компания стала первой коммерческой, добывающей кислород таким образом.
И это лишь небольшая часть огромного плана по освоению спутника. Разбираю тему: о кислороде из пыли, будущем лунных миссий и сложностях построения космической инфраструктуры.
В 2007 году на экраны вышел фантастический фильм Дэнни Бойла «Пекло» («Sunshine») о пилотируемом полёте к Солнцу корабля «Икар II», защищенного от испепеляющего жара исполинским золотым щитом. Несмотря на смешанные отзывы критиков и зрителей, фильм смог передать величие космоса и ужас той ослепительной бездны, где человек ощущает себя лишь крохотной пылинкой над ревущим океаном первозданного огня.
А через одиннадцать лет, 12 августа 2018 года, с мыса Канаверал стартовала ракета Delta IV Heavy с космическим аппаратом Parker Solar Probe, названным в честь Юджина Паркера, американского физика, который в 1958 году предположил существование солнечного ветра. Паркер так и не получил Нобелевскую премию, хотя и номинировался дважды. Но его именем назвали космический зонд, который сделал невозможное: разогнался почти до двухсот километров в секунду, приблизился на шесть миллионов километров к Солнцу, прикрываясь от жара своим уникальным солнечным экраном, как «Икар II», и впервые в истории исследования космоса нырнул в солнечную корону — и вынырнул невредимым.
Это история о том, как люди решили посмотреть на Солнце вблизи.
Два фактора играют доминирующую роль в нашем поиске жизни и пригодных для жизни условий в других частях Галактики. Первый — это жидкая вода, которая, насколько нам известно, необходима для жизни. Когда мы обнаруживаем экзопланеты, учёные пытаются определить, находятся ли они в зоне обитаемости своих звёзд. При подходящих атмосферных условиях жидкая вода может на них сохраняться.
Второй фактор — биосигнатуры. Одной из причин создания «Уэбба» было изучение атмосфер экзопланет и определение их состава, и он в итоге обнаружил некоторые очень интересные потенциальные биосигнатуры. Но учёные сталкиваются с тем, что некоторая атмосферная биосигнатура, существующая здесь, на Земле, может иметь небиологическое происхождение на экзопланетах, которые сильно отличаются от Земли.
Спустя более 60 лет после первого обнаружения Лебедь X-1 (Cygnus X-1, или Cyg X-1) — первая подтверждённая чёрная дыра — по-прежнему полна сюрпризов. Исследователи наконец измерили энергетическую мощность «танцующих джетов» этого гиганта, и, по мнению экспертов, полученные результаты могут помочь ответить на более широкие вопросы об экстремальном поведении чёрных дыр.
Лебедь X-1 — это чёрная дыра звёздной массы; она примерно в 21 раз массивнее Солнца и расположена на расстоянии около 7 000 световых лет от Земли в созвездии Лебедя. Она вращается в двойной системе вокруг массивной голубой сверхгигантской звезды, получившей название HDE 226868, совершая оборот за каждые 5,6 дня на расстоянии 0,2 астрономической единицы (это пятая часть расстояния от Земли до Солнца). Чёрная дыра постоянно срывает внешние слои своего компаньона, образуя сверхгорячее кольцо из вихревой материи, называемое аккреционным диском, которое ярко светится в рентгеновском диапазоне.
Новое теоретическое исследование предполагает, что чёрные дыры, возможно, никогда не испарятся полностью, опровергая известную неудобную теорию Стивена Хокинга — ведь последняя нарушает фундаментальные законы квантовой механики. Вместо этого, согласно исследованию, чёрные дыры могут оставлять после себя крошечные, стабильные остатки, в которых хранится вся информация, которую они когда-то поглотили.
Но тут есть одна закавыка. Чтобы теория работала, во Вселенной должны существовать три дополнительных скрытых измерения, которые люди не воспринимают, то есть пространство-время должно быть семимерным. Когда эти скрытые измерения сгибаются и скручиваются, они создают отталкивающую силу, которая не даёт чёрным дырам полностью испариться.
Эта работа, хотя пока и не поддаётся непосредственной проверке, связывает чёрные дыры с геометрией дополнительных измерений, предлагая новый подход к одной из самых глубоких загадок физики.
Согласно небулярной гипотезе, звёзды и вращающиеся вокруг них планеты формируются из одного и того же запаса вещества, называемого протопланетной туманностью. Это наиболее общепринятое объяснение того, как формируются планетные системы. Но, несмотря на то, что эта гипотеза способна объяснить многие аспекты формирования планетных систем, у неё остаются некоторые нерешённые проблемы.
Исследования экзопланет и их звёзд часто ставят под сомнение небулярную гипотезу. Исследователи, занимающиеся поиском планет, обнаружили массивные газовые гиганты размером с Юпитер — и даже больше — вращающиеся в непосредственной близости от своих маломассивных звёзд. Некоторые из этих планет находятся ближе к своим маленьким звёздам, чем Меркурий к Солнцу. Как формируются гигантские планеты в таких сценариях — это вопрос, на который небулярная гипотеза не даёт ответа.
