За последние несколько месяцев, Вселенная сегодня исследовал 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 общественность лучше поймет наше место в космосе.
Здесь мы обсудим захватывающую и загадочную область черных дыр с доктором Гауравом Кханной, профессором кафедры физики Университета Род-Айленда, относительно важности изучения черных дыр, преимуществ и проблем, интересных аспектов. изучения черных дыр и того, как будущие студенты будут продолжать изучение черных дыр. Так в чем же важность изучения черных дыр?
«Гравитация — старейшая известная, но наименее изученная сила в природе», — говорит доктор Ханна. Вселенная сегодня. «Для изучающих 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, существуют астрофизические причины интереса к черным дырам. Они играют важную роль в галактиках, возможно, даже в крупномасштабном поведении Вселенной и многом другом. 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 следствие так называемой теоремы «без волос», которая гласит, что черные дыры могут быть полностью охарактеризованы только тремя атрибутами — их массой, зарядом и вращением. Эта простота делает их особенно привлекательными для изучения и исследований».
Черные дыры известны тем, что обладают настолько сильной гравитацией, что свет не может даже покинуть ее, и хотя общей теории относительности Альберта Эйнштейна в 1915 году часто приписывают первое предложение концепции черных дыр, концепцию объекта, размер и гравитация которого не могут быть изменены. позволить свету рассеиваться впервые было предложено в письме английского философа и священнослужителя Джона Митчелла в ноябре 1784 года. В этом письме Митчелл назвал эти объекты «темными звездами», поскольку постулировал, 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 предсказала существование как черных дыр, так и гравитационных волн, которые продолжали тщательно изучаться на протяжении 20-х годов.й века, который включает в себя так называемый «золотой век общей теории относительности» 1960-х и 1970-х годов. Сюда входит первый объект, признанный научным сообществом черной дырой, под названием Лебедь X-1, который был открыт в 1964 году. Однако потребовалось еще 52 года, чтобы существование гравитационных волн было подтверждено посредством слияния черных дыр, которое было выполнено научным сообществом LIGO. Поэтому, учитывая обширную историю и ключевые открытия, сделанные только в последние несколько лет, каковы некоторые преимущества и проблемы изучения черных дыр?
Доктор Ханна рассказывает Вселенная сегодня«Как я уже говорил выше, изучение черных дыр, которые являются следствием теории относительности Эйнштейна, дает понимание природы гравитации, пространства и времени на самых фундаментальных уровнях. Нам, физикам, еще предстоит полностью понять квантовую природу гравитации, и черные дыры являются ключом к разгадке этой тайны. Что касается проблем, я бы сказал, что, пожалуй, самая очевидная из них заключается в том, что черные дыры можно наблюдать только косвенно. В отличие от звезд, поскольку они сами не излучают радиацию, астрономам сложно 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 стороны, хотя черные дыры действительно очень «просты» по сравнению со звездами, все еще существуют проблемы. Математика и физика, описывающие их, довольно сложны, и даже компьютерное моделирование с их участием является сложной задачей, требующей огромной вычислительной мощности и памяти».
Хотя с момента представления Эйнштейном своей общей теории относительности в 1915 году до подтверждения существования гравитационных волн в 2016 году прошло более 100 лет, астрономам потребовалось всего лишь три года, чтобы опубликовать первое прямое изображение черной дыры в центре Мессье 87. галактика. Результаты были опубликованы в Письма из астрофизического журнала и основано на наблюдениях, сделанных в 2017 году мощным телескопом горизонта событий (EHT). В то время как Мессье 87 находится примерно в 53 миллионах световых лет от Земли, ближайшая предполагаемая черная дыра, Gaia BH1, расположена примерно в 1560 световых годах от Земли. В 2022 году астрономы опубликовали прямое изображение Стрельца А* — сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики Млечный Путь.
Кроме того, ученые предполагают, что количество черных дыр в нашей Галактике Млечный Путь исчисляется сотнями миллионов, несмотря на то, что на данный момент подтверждено лишь несколько десятков известных черных дыр. Но каковы наиболее интересные аспекты черных дыр, которые доктор Ханна изучал за свою карьеру?
Доктор Ханна рассказывает Вселенная сегодня«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 он, кажется, предполагает нарушение теоремы об отсутствии волос, о которой я упоминал ранее, но в конечном итоге это не так. Итак, это провокационно, но потом успокаивает! Что еще более важно, мы сейчас используем основной контекст этого исследования для разработки новой наблюдательной «сигнатуры» или теста быстро вращающихся черных дыр, то есть почти экстремальных черных дыр. Такие черные дыры обладают несколькими специфическими свойствами и аспектами и являются областью активных исследований».
Черные дыры изучаются астрономами, физиками и астрофизиками, которые используют сочетание теории и наблюдений, чтобы построить, как могут выглядеть черные дыры, и в редких случаях, как уже говорилось, получают их прямые изображения. Что касается теории, исследователи используют математические расчеты и компьютерные модели, чтобы смоделировать, как могут выглядеть черные дыры, а затем использовали мощные наземные телескопы, такие как EHT, чтобы получить несколько прямых изображений черных дыр. Важно отметить, что эти прямые изображения захватывают не саму черную дыру, а газы, окружающие горизонт событий черной дыры, или неофициальную границу, где свет не может покинуть черную дыру. Но какой совет может дать доктор Ханна будущим студентам, желающим продолжить изучение черных дыр?
Доктор Ханна рассказывает Вселенная сегодня«Я бы очень их поддержал! В этом пространстве есть чем заняться и разгадать множество загадок. Новые наблюдения откроют множество новых дверей и совершенно новых направлений для исследований. Это одно из лучших времен для того, чтобы стать астрофизиком черных дыр!»
Доктор Ханна продолжает: «Единственное, что я мог бы сказать, возможно, не так сильно подчеркнутое в других местах, — это компьютеры как инструмент для изучения черных дыр. В основном большое внимание уделяется изучению высшей математики как основы для серьезных исследований черных дыр (и не без причины), что продолжает иметь решающее значение для каждого изучающего теорию относительности Эйнштейна, которая является основой физики черных дыр. В последние годы компьютерное моделирование быстро продвинулось вперед, и теперь можно делать важные открытия в глубоких вопросах, используя вычислительные инструменты. В долгосрочной перспективе компьютерное программирование станет очень многообещающим инструментом для продвижения исследований в этой области, а также во многих других».
Как черные дыры помогут нам лучше понять наше место во Вселенной в ближайшие годы и десятилетия? Только время покажет, и именно поэтому мы занимаемся наукой!
Как всегда, продолжайте заниматься наукой и продолжайте искать!
