Czarnych dziur nie można zobaczyć, ponieważ nie emitują światła widzialnego ani żadnego promieniowania elektromagnetycznego.

Nie jest to całkowicie poprawne w tym sensie, że światło widzialne jest emitowane podczas wychwytywania naładowanej materii z promieniowania, gdy wpada ona w silny potencjał grawitacyjny czarnej dziury, ale nie jest wystarczająco silne, aby scharakteryzować odkrycie czarna dziura. Promienie rentgenowskie są również emitowane, jeśli przyspieszenie naładowanych cząstek jest wysokie, jak można się spodziewać po atrakcyjnym zlewie czarnej dziury.

Podejrzenie o istnieniu czarnej dziury wynika z nieregularności kinematycznych orbit. Na przykład:

Badania dopplerowskie tego niebieskiego nadolbrzyma w Cygnus wskazują na okres 5,6 dnia na orbicie wokół niewidocznego towarzysza.

.....

1. Źródło promieniowania rentgenowskiego zostało odkryte w konstelacji Łabędzia w 1972 roku (Cygnus X-1). Źródła promieniowania rentgenowskiego są kandydatami na czarne dziury, ponieważ materia napływająca do czarnych dziur zostanie zjonizowana i znacznie przyspieszona, wytwarzając promieniowanie rentgenowskie.

2. Znaleziono niebieski nadolbrzym o masie około 25 razy większej od Słońca, który najwyraźniej krąży wokół źródła promieniowania rentgenowskiego. Więc jest tam coś masywnego, ale nie świecącego (gwiazda neutronowa lub czarna dziura).

3. Badania dopplerowskie niebieskiego nadolbrzyma wskazują na 5,6 dniowy okres obrotu wokół ciemnego obiektu. Użycie okresu oraz pomiarów widmowych prędkości orbitalnej widocznego towarzysza prowadzi do obliczenia masy układu wynoszącej około 35 mas Słońca. Obliczona masa ciemnego obiektu to 8-10 mas Słońca; zbyt masywna, aby być gwiazdą neutronową, której limit wynosi około 3 mas Słońca - stąd czarna dziura.

To oczywiście nie jest dowód na istnienie czarnej dziury - ale przekonuje większość astronomów.

Kolejnym dowodem na to, że niewidoczny obiekt jest czarną dziurą, jest emisja promieni rentgenowskich z jej lokalizacji, wskazująca na temperatury w milionach kelwinów. To źródło promieniowania rentgenowskiego wykazuje szybkie zmiany, ze skalami czasowymi rzędu milisekund. Sugeruje to źródło nie większe niż milisekunda światła lub 300 km, więc jest bardzo zwarte. Jedyne znane nam możliwości umieszczenia tak dużej ilości materii w tak małej objętości to czarne dziury i gwiazdy neutronowe, a konsensus jest taki, że gwiazdy neutronowe nie mogą być bardziej masywne niż około 3 masy Słońca.

Z często zadawanych pytań: Jakie mamy dowody na istnienie czarnych dziur?, najpierw w wyszukiwarce Google:

Astronomowie znaleźli przekonujące dowody na istnienie supermasywnej czarnej dziury w centrum naszej własnej galaktyki Drogi Mlecznej, galaktyce NGC 4258, olbrzymiej galaktyce eliptycznej M87 i kilku innych. Naukowcy zweryfikowali istnienie czarnych dziur, badając prędkość chmur gazu krążących wokół tych regionów. W 1994 roku dane z Kosmicznego Teleskopu Hubble'a zmierzyły masę niewidocznego obiektu w centrum M87. Na podstawie ruchu materii wirującej wokół centrum szacuje się, że obiekt ma masę około 3 miliardów mas Słońca i wydaje się być skoncentrowany w przestrzeni mniejszej niż nasz Układ Słoneczny.

Ponownie, to tylko czarna dziura pasuje do tych danych w naszym ogólnym modelu względności Wszechświata.

A więc dowody na naszą galaktykę są oparte na kinematycznym zachowaniu gwiazd i układów gwiazd w centrum naszej galaktyki.

Gdyby czarna dziura znajdowała się w szczerym polu i nic jej nie otaczała, to rzeczywiście byłaby dość trudna do zaobserwowania. Każda czarna dziura o znacznej masie emituje niezwykle małą ilość promieniowania Hawkinga i to wszystko. Jednak czarna dziura w centrum naszej galaktyki jest otoczona materią. Zatem możemy to zaobserwować poprzez grawitacyjne przyciąganie tej sprawy.

Najpierw patrzysz na otaczające gwiazdy i odkrywasz, że coś krążą.

Okresy są krótkie, a S2 kończy orbitę w zaledwie 15,2 roku (obserwacje z ponad 15 lat można zobaczyć w tym klipie, dzięki luk32 za link do obrazu) Takie krótkotrwałe orbity wskazują na obecność supermasywnego obiektu:

Ale w pobliżu czarnej dziury jest też materia. Pod wpływem ogromnego przyciągania grawitacyjnego większość materii jest rozproszona, podczas gdy niewielka część zostaje zainspirowana, aż spadnie na czarną dziurę w procesie znanym jako akrecja. Spadająca materia promieniuje głównie w widmie radiowym, co powoduje utratę energii i dalsze opadanie. Możemy zobaczyć to promieniowanie z akreującej materii.

To, czego nie widzimy, to jednak promieniowanie z obiektu, na który pada ta materia. Ze względu na spadające, ściśnięte na powierzchni i przegrzane rzeczy każdy zwykły przedmiot byłby bardzo jasny. Zamiast tego jest bardzo słabo, jakby cała ta sprawa po prostu zniknęła w pewnym momencie. Jest to zgodne z istnieniem horyzontu czarnej dziury.

Podobna zasada działa w przypadku innych kandydatów na czarną dziurę. Możemy obserwować jego przyciąganie grawitacyjne na otaczającą materię i promieniowanie z dysku akrecyjnego w jego pobliżu.

Sagittarius A * (czarna dziura w centrum naszej galaktyki) ma jedne z najlepszych dowodów obserwacyjnych na obecność czarnej dziury, jakie kiedykolwiek widziałem. Tutaj obejrzyj animacje z UCLA wykonane na podstawie naszych obserwacji. Wynika to z danych zebranych w ciągu 20 lat. Możesz zobaczyć jasne punkty (gwiazdy) krążące wokół skrawka nicości. Te, które są naprawdę blisko, wirują z niesamowitą prędkością, ale szybko zwalniają, gdy się oddalają. Oczywiście, cokolwiek jest w środku, ma w sobie znaczną ilość masy. Zauważ jednak również, że gwiazdy zawsze wydają się poruszać wokół czegoś, co znajduje się w martwym środku (a ich orbity są elipsami, co pokazuje, że nie tylko poruszamy kamerą, aby utrzymać ją w środku). Weź pod uwagę, że masa tych gwiazd musi być niewiarygodnie mała w porównaniu z masą ciała centralnego, w przeciwnym razie zostałyby wyrzucone w przestrzeń kosmiczną w przeciwnym kierunku, gdy jedna gwiazda zbliży się naprawdę.

Więc tutaj możesz zobaczyć masywne gwiazdy krążące wokół czegoś, co nie emituje światła i musi być o rząd wielkości masywniejsze niż którakolwiek z otaczających ją gwiazd. Wygląda na to, że pasuje do profilu czarnej dziury. Poza tym masa, którą obliczamy, musi mieć, jest na tyle duża, że ​​cokolwiek tak masywnego i tego zwartego musiałoby zapaść się w czarną dziurę.

P.S. Jeśli nie obejrzałeś filmów, zrób. Oni są wspaniali; Kocham ich.

Skrótka odpowiedź: Istnieją przekonujące dowody na istnienie supermasywnego ciemnego, zwartego obiektu w centrum Drogi Mlecznej, jednak wniosek, że ten zwarty obiekt jest czarną dziurą (a zatem ma horyzont), jest daleki od ustalenia. Co więcej, stwierdzenie „czarne dziury istnieją w naszym Wszechświecie” może być zasadniczo niefalsyfikowalne, ale alternatywy dla czarnych dziur można wykluczyć lub potwierdzić eksperymentalnie.

L dłuższa odpowiedź. W centrum naszej Galaktyki znajduje się supermasywna czarna dziura kandydat , która jest najlepiej ograniczona przez obserwacje wśród innych rzekomych czarnych dziur. Jego masa i odległość zostały dokładnie określone na podstawie orbit pobliskich gwiazd i badań jego ruchu właściwego, i ustalono, że radio o wysokiej częstotliwości oraz bardzo zmienna emisja bliskiej podczerwieni i promieniowania rentgenowskiego z tego obiektu pochodzi z kilku Schwarzschildów. promienie tego bardzo zwartego obiektu.

Inne odpowiedzi podają ten dowód bardziej szczegółowo, ale chciałbym podkreślić, co następuje: to wszystko jest dowodem na masywny ciemny, zwarty obiekt , niekoniecznie na czarną dziurę.

Jeśli przyjmiemy słuszność klasycznej ogólnej teorii względności, jest tylko jedna możliwa interpretacja: w centrum naszej galaktyki znajduje się czarna dziura. Jednak zawsze istnieje możliwość, że pojawi się jakaś nowa fizyka, która stanie się istotna w sytuacjach, w których czarna dziura powstałaby w zwykłym GR, fizyka, która prawdopodobnie zapobiegłaby tworzeniu się horyzontu, definiującej cechy czarnej dziury.

Więc co może być alternatywą dla czarnej dziury? Ogólna nazwa to egzotyczny obiekt kompaktowy (ECO). Można to postrzegać jako dwa sklejone ze sobą regiony: zewnętrzne rozwiązanie czarnej dziury zaczynające się od pewnej odległości $ r_g \ cdot \ epsilon $ (gdzie $ r_g $ to promień Schwarzschilda dla danej masy ECO) rzekomego horyzontu i wnętrza złożonego z jakiegoś egzotycznego materiału w sposób, który nie prowadzi do formowania się horyzontów. Jeśli parametr $ \ epsilon $ jest wystarczająco mały, to większość cech, których można by się spodziewać po czarnych dziurach: silne soczewkowanie grawitacyjne, ogólne zachowanie relatywistyczne orbit w pobliżu ECO, w tym sfera fotonowa, ergosfera, powstawanie fal grawitacyjnych przez łączenie się zderzających się ECO itp. może występować w tego rodzaju obiektach.

W klasycznym GR żaden sygnał (EM lub GW) nie może wydostać się poza powierzchnię horyzontu. Tak więc dla dowolnego efektu czarnej dziury możliwe byłoby wybranie na tyle małego $ \ epsilon $, aby nie można było odróżnić prawdziwej czarnej dziury od hipotetycznej ECO, która nie ma horyzontu, co oznacza istnienie czarnych dziur jest niefalsyfikowalna.

Istnieje wiele modeli teoretycznych, które prowadzą do powstawania ECO zamiast czarnych dziur. Większość z nich opiera się na nieco spekulatywnych założeniach dotyczących zachowania określonego modelu grawitacji kwantowej (lub określonych właściwości zawartości materii) w silnym reżimie.

Przegląd różnych typów alternatyw dla czarnych dziur można znaleźć w niedawnym artykule:

• Cardoso, V., & Pani, P. (2017). Testy na istnienie czarnych dziur poprzez echa fal grawitacyjnych . Nature Astronomy, 1 (9), 586, doi, arXiv, wersja rozszerzona.

Ten artykuł jest dość przystępny i zawiera poniższy rysunek przedstawiający przegląd różnych typów ECO:

Przykład: 2-2 $ hole, oto propozycja dla konkretnego typu ECO (wybrana głównie dlatego, że wcześniej tego nie widziałem):

• Holdom, B., & Ren, J. (2017). Niezupełnie czarna dziura . Physical Review D, 95 (8), 084034, doi, arXiv.

Opiera się na domniemanej analogii między chromodynamiką kwantową a kwadratową grawitacją kwantową: powyżej pewnej skali grawitacja kwantowa $ \ Lambda_ {QQG} $ wykazuje duchy o spinie 2. Zatem reżim silnej grawitacji byłby zupełnie inny niż reżim podczerwieni, który jest klasyczną grawitacją kwadratową. Dziura 2-2 $ to rozwiązanie, które jest zewnętrzną stroną rozwiązania Schwarzschilda do około odpowiedniej długości Plancka potencjalnego horyzontu, podczas gdy wewnątrz znajduje się faza silnej grawitacji kwantowej bez horyzontu:

Testy eksperymentalne Chociaż istnieje wiele modeli dla różnych typów ECO, można je ograniczyć eksperymentalnie:

• Szybko wirujące ECO często wykazują niestabilność i tracą moment pędu. Obserwacja dużego momentu pędu kandydatów na czarną dziurę wykluczyłaby takie modele.

• Łączące się ECO miałyby echo w sygnaturze fal grawitacyjnych. Analiza danych z LIGO i przyszłej generacji detektorów GW może wesprzeć lub obalić niektóre modele ECO. Zobacz na przykład ten artykuł:

  Abedi, J., Dykaar, H., & Afshordi, N. (2017). Echa z Otchłani: Wstępny dowód na strukturę w skali Plancka na horyzontach czarnych dziur. Physical Review D, 96 (8), 082004, doi.

• Zaproponowany Teleskop Event Horizon mógłby zbierać dane na temat ECO.

I tak ten przemysł chałupniczy alternatywnych czarnych dziur jest głównie napędzany nadzieją (choć niewielką), że obserwacje struktury prawie niedoszłego horyzontu dadzą nam wgląd w kwantową grawitację.

Po pierwsze, dyski akrecyjne Czarnych Dziur emitują promieniowanie.To jeden ze sposobów, w jaki astronomowie używają do wykrywania czarnych dziur, czyli obserwacji nadchodzącego promieniowania.Innym sposobem jest porównanie ruchu obiektów z ruchem oczekiwanym od obiektów w pobliżu czarnych dziur.Jest to istotne dla twojego pytania: wielu astronomów zauważyło, że ruch gwiazd w pobliżu centrum naszej galaktyki odpowiada oczekiwanemu ruchowi gwiazd w obecności czarnych dziur.To dowód na obecność masywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej.

Czarne dziury są jak twoi sąsiedzi kochający death metal, którzy nigdy nie opuszczają swojego mieszkania: nie możesz ich zobaczyć, ale na pewno wiesz, że tam są.

Kiedy stwierdzasz, że „czarnych dziur nie można zobaczyć, ponieważ nie emitują żadnego promieniowania elektromagnetycznego”, masz nominalną rację: ilość promieniowania Hawkinga, którą emitują duże z nich jest tak mała, że ​​w rzeczywistości tworzą cień przed kuchenką mikrofalową tło.

Ale czarne dziury oddziałują grawitacyjnie ze swoim otoczeniem w dramatyczny sposób. Nieziemskie przyspieszenie materii krążącej i wpadającej w czarną dziurę może spowodować dość spektakularne emisje promieniowania. Ten artykuł z raportów z 2015 r. na temat emisji promieniowania rentgenowskiego obserwowanych przez obserwatorium Chandra w galaktyce radiowej Pictor A. Hipoteza jest taka, że ​​promieniowanie rentgenowskie jest promieniowaniem synchrotronowym pochodzącym z wysokoenergetyczny dżet cząstek, który z kolei powstaje blisko czarnej dziury w centrum galaktyki.

Aby spojrzeć na skalę wydarzeń, przyjrzyjmy się kilku liczbom.

• Moc obserwowanego promieniowania szacuje się na około 2 * 10 ³⁵ Watów. To pół miliarda razy więcej niż całkowita energia słoneczna.
• Obserwowalne promieniowanie to tylko niewielka część mocy dżetu, którą szacuje się na 100 lub 1000 razy większą. To sprawiłoby, że energia wyjściowa wiązek byłaby równa wydajności energetycznej małej galaktyki gwiazd.
• Wiązka ma średnicę kilku kilo-parseków. To sprawia, że ​​jest szersza niż wysokość naszej galaktyki i stanowi znaczny ułamek jej średnicy.

Żaden znany mechanizm poza czarnymi dziurami nie byłby w stanie wpłynąć na cokolwiek w tej skali. Wiesz, że są tam sąsiedzi, ponieważ wytwarzają więcej hałasu niż reszta Twojego bloku.