Как появилась черная дыра: «Как образуются чёрные дыры?» – Яндекс.Кью

Увидеть черную дыру и не умереть. Что мы знаем о черных дырах

Черная дыра — это область пространства, которая обладает таким притяжением, что даже свет не может ее покинуть. Идея существования таких объектов появилась еще в конце XVIII века, когда английский естествоиспытатель Джон Митчелл предположил, что если размеры звезды будут очень маленькими, а масса — очень большой, то она не будет светить, потому что ее притяжение просто не даст свету вырваться (Митчелл представлял себе свет состоящим из частиц).

В современной науке существование черных дыр предсказывает теория относительности. Гравитацию в соответствии с этой теорией наглядно объясняют так: представим себе ткань, а лучше лист резины, на который кладут камни. Камни продавливают его сильнее или слабее в зависимости от своего веса, а более легкие катятся туда, где более тяжелые продавили яму поглубже. Поэтому планеты «притягивают» спутники, Солнце «притягивает» планеты и так далее.

Изображение: Mopic / Фотодом / Shutterstock

Остерегайтесь черных дыр и водопадов

Используя эту метафору, Стивен Хокинг объясняет черные дыры так: представим, что мы кладем на резину очень тяжелый и компактный камень, он продавливает в ней бездонную яму, в которую вещество падает безвозвратно.

Граница черной дыры называется горизонтом событий, за этим горизонтом скорость, с которой нужно двигаться, чтобы вырваться из черной дыры, должна превышать скорость света — задача невозможная. Представить это себе можно как падение на лодке в водопад: чем ближе к водопаду, тем сильнее нужно грести, чтобы не затянуло, но с какого-то момента как ни старайся — вырваться уже не получится, вы падаете, но в случае черной дыры на дне вас ждут не острые камни, а загадочная сингулярность.

В области сингулярности плотность материи становится бесконечной. Говорят, может даже образоваться туннель в другую Вселенную. Но это все слухи, а что там на самом деле происходит — никто не знает.

Фантазия на тему туннеля в пространстве. Изображение: ktsdesign / Фотодом / Shutterstock

Все это звучит странно и загадочно, но в том, что черные дыры существуют, астрофизики не сомневаются: например, долгожданное открытие гравитационных волн, порожденных столкновением двух черных дыр, — весомое подтверждение их существования.

Откуда берутся черные дыры

Черные дыры звездных масс образуются из звезд массой в 3−5 раз больше солнечной (поэтому наше Солнце черной дырой не станет, оно превратиться в белого карлика через миллиарды лет). «Топливо» для термоядерных реакций в звездах не бесконечно, и, когда оно заканчивается, звезда «схлопывается» и вспыхивает сверхновой.

А вот откуда берутся сверхмассивные черные дыры, неизвестно. На этот счет есть только предположения, такие как схлопывание массивных облаков газа на ранних стадиях образования галактик, разрастание черных дыр звездной массы за счет поглощения материи или слияния множества таких дыр в одну сверхмассивную. Недостатка в предположениях нет, а вот с наблюдениями дело обстоит сложнее.

Как увидеть черную дыру

Увидеть саму черную дыру нельзя, на что намекает ее название, а вот падающее в нее вещество — можно. В центрах многих галактик находятся черные дыры массой в миллионы больше солнечной. Они притягивают пыль, газ и звезды. Из этого вещества вокруг черной дыры образуется аккреционный диск. В нем материя закручивается, как в воронке, перед тем как упасть в черную дыру, и из-за трения разогревается, благодаря чему начинает ярко светиться во всем спектре. При падении же материи в черную дыру давление излучения и влияние магнитного поля у границы черный дыры отбрасывают часть вещества далеко от нее.

Сверхмассивная черная дыра в центре нашей Галактики называется Стрелец A*. Словосочетание «наша Галактика» звучит как-то по-домашнему, будто до центра ее рукой подать, но на самом деле черная дыра находится от нас в 25 тысячах световых лет, масса ее — в 4 миллиона раз больше солнечной.

Разглядеть ее на таком расстоянии очень сложно — все равно что пытаться увидеть теннисный мячик на Луне, и необходимая для этого острота «зрения» доступна лишь радиотелескопам благодаря приему радиоинтерфереометрии, который позволяет объединить телескопы в разных уголках земного шара в один огромный виртуальный телескоп. Так, проект Event Horizon Telescope объединит наблюдения телескопов в США, Испании, Мексике, Чили и даже в Антарктиде.

Второй объект для наблюдения — черная дыра в центре галактики M 87 Она примерно в 6 миллионов раз массивнее Солнца, но и находится существенно дальше — в 53 миллионах световых лет от нас.

На что похожа черная дыра

Результаты наблюдений будут опубликованы только в следующем году, а пока, чтобы примерно представить себе, что могут увидеть телескопы, можно полюбоваться на черную дыру в фильме «Интерстеллар», создатели которого постарались сделать картину как можно более правильной с научной точки зрения.

Правильность этой картинки в том, что аккреционный диск за черной дырой выглядит не как кольца у Сатурна, а выглядывает из-за черной дыры, потому что ее сильное гравитационное поле искажает путь, который проходит излучение аккреционного диска. Впрочем, есть и отличие от «Интерстеллара»: с одной стороны аккреционный диск из-за его вращения должен выглядеть ярче.

В результате изображение должно получиться похожим на картинку, которую астрофизик Жан-Пьер Люмине (Jean-Pierre Luminet) смоделировал в 1978-м еще на компьютере IBM 7040, работавшем на перфокартах, и нарисовал от руки для статьи в журнале Astronomy and Astrophysics.

Рисунок Люмине. Источник: Luminet, J.-P. Image of a spherical black hole with thin accretion disk

 Екатерина Боровикова

Черные дыры: открытия, свойства, интересные факты

История открытия черных дыр

Как образуются черные дыры в космосе

Сколько черных дыр существует во Вселенной

Теория черных дыр

Свойства черных дыр

Что если человек попадет в черную дыру

Испарение черных дыр

Самая большая черная дыра

Самая маленькая черная дыра

Черные дыры – каннибалы

Интересные факты про черные дыры

Черные дыры на канале Discovery, видео

Черные дыры – пожалуй, самые таинственные и загадочные астрономические объекты в нашей Вселенной, с момента своего открытия привлекают внимание ученых мужей и будоражат фантазию писателей-фантастов. Что же такое черные дыры и что они из себя представляют? Черные дыры – это погаснувшие звезды, в силу своих физических особенностей, обладающие настолько высокой плотностью и настолько мощной гравитацией, что даже свету не удается вырваться за их пределы.

История открытия черных дыр

Впервые теоретическое существование черных дыр, еще задолго до их фактического открытия предположил некто Д. Мичел (английский священник из графства Йоркшир, на досуге увлекающийся астрономией) в далеком 1783 году. По его расчетам, если наше Солнце взять и сжать (говоря современным компьютерным языком – заархивировать) до радиуса в 3 км., образуется настолько большая (просто огромная) сила гравитации, что даже свет не сможет ее покинуть. Так и появилось понятие «черная дыра», хотя на самом деле она вовсе не черная, на наш взгляд более подходящим был бы термин «темная дыра», ведь имеет место именно отсутствие света.

Позже, в 1918 году о вопросе черных дыр в контексте теории относительности писал великий ученый Альберт Эйнштейн. Но только в 1967 году стараниями американского астрофизика Джона Уиллера понятие черных дыр окончательно завоевало место в академических кругах.

Как бы там ни было, и Д. Мичел, и Альберт Эйнштейн, и Джон Уиллер в своих работах предполагали только теоретическое существование этих загадочных небесных объектов в космическом пространстве, однако подлинное открытие черных дыр состоялось в 1971 году, именно тогда они впервые были замечены в телескоп.

Так выглядит черная дыра.

Как образуются черные дыры в космосе

Как мы знаем из астрофизики, все звезды (в том числе и наше Солнце) имеют некоторый ограниченный запас топлива. И хотя жизнь звезды может длиться миллиарды лет, рано или поздно этот условный запас топлива подходит к концу, и звезда «гаснет». Процесс «угасания» звезды сопровождается интенсивными термодинамическими реакциями, в ходе которых звезда проходит значительную трансформацию и в зависимости от своего размера может превратиться в белого карлика, нейтронную звезду или же черную дыру. Причем в черную дыру, обычно, превращаются самые крупные звезды, обладающие невероятно внушительными размерами – за счет сжимание этих самых невероятных размеров происходит многократное увеличение массы и силы гравитации новообразованной черной дыры, которая превращается в своеобразный галактический пылесос – поглощает все и вся вокруг себя.

Черная дыра поглощает звезду.

Маленькая ремарка – наше Солнце по галактическим меркам вовсе не является крупной звездой и после угасания, которое произойдет примерно через несколько миллиардов лет, в черную дыру, скорее всего, не превратиться.

Но будем с вами откровенны – на сегодняшний день, ученые пока еще не знают всех тонкостей образования черной дыры, несомненно, это чрезвычайно сложный астрофизический процесс, который сам по себе может длиться миллионы лет. Хотя возможно продвинуться в этом направлении могло бы обнаружение и последующее изучение так званых промежуточных черных дыр, то есть звезд, находящихся в состоянии угасания, у которых как раз происходит активный процесс формирования черной дыры. К слову, подобная звезда была обнаружена астрономами в 2014 году в рукаве спиральной галактики.

Сколько черных дыр существует во Вселенной

Согласно теориям современных ученых в нашей галактике Млечного пути может находиться до сотни миллионов черных дыр. Не меньшее их количество может быть и в соседней с нами галактике Андромеда, до которой от нашего Млечного пути лететь всего нечего – 2,5 миллиона световых лет.

Теория черных дыр

Не смотря на огромную массу (которая в сотни тысяч раз превосходит массу нашего Солнца) и невероятной силы гравитацию увидеть черные дыры в телескоп было не просто, ведь они совсем не излучают света. Ученым удалось заметить черную дыру только в момент ее «трапезы» – поглощения другой звезды, в этот момент появляется характерное излучение, которое уже можно наблюдать. Таким образом, теория черной дыры нашла фактическое подтверждение.

Свойства черных дыр

Основное свойство черно дыры – это ее невероятные гравитационные поля, не позволяющие окружающему пространству и времени оставаться в своем привычном состоянии. Да, вы не ослышались, время внутри черной дыры протекает в разы медленнее чем обычно, и окажись вы там, то вернувшись обратно (если б вам так повезло, разумеется) с удивлением бы заметили, что на Земле прошли века, а вы даже состариться не успели. Хотя будем правдивы, окажись внутри черной дыры вы вряд ли бы выжили, так как сила гравитации там такая, что любой материальный объект просто разорвала бы даже не на части, на атомы.

А вот окажись вы даже поблизости черной дыры, в пределах действия ее гравитационного поля, то вам тоже пришлось бы не сладко, так как, чем сильнее вы бы сопротивлялись ее гравитации, пытаясь улететь подальше, тем быстрее бы упали в нее. Причинной этому казалось бы парадоксу является гравитационное вихревое поле, которым обладают все черные дыры.

Что если человек попадет в черную дыру

Испарение черных дыр

Английский астроном С. Хокинг открыл интересный факт: черные дыры также, оказывается, выделяют испарение. Правда это касается только дыр сравнительно небольшой массы. Мощная гравитация около них рождает пары частиц и античастиц, один из пары втягивается дырой внутрь, а второй исторгается наружу. Таким образом, черная дыра излучает жесткие античастицы и гамма-кванты. Это испарение или излучение черной дыры было названо на честь ученого, открывшего его – «излучение Хокинга».

Самая большая черная дыра

Согласно теории черных дыр в центре почти всех галактик находятся огромные черные дыры с массами от нескольких миллионов до нескольких миллиардом солнечных масс. И сравнительно недавно учеными были открыты две самые большие черные дыры, известные на сегодняшний момент, они находятся в двух близлежащих галактиках: NGC 3842 и NGC 4849.

NGC 3842 – самая яркая галактика в созвездии Льва, от нас находится на расстоянии 320 миллионов световых лет. В центре нее иметься огромная черная дыра массой в 9,7 миллиарда солнечных масс.

NGC 4849 – галактика в скопление Кома, на расстоянии 335 миллионов световых лет от нас может похвалится не менее внушительной черной дырой.

Зоны действия гравитационного поля этих гигантских черных дыр, или говоря академическим языком, их горизонт событий, примерно в 5 раз больше дистанции от Солнца до Плутона! Такая черна дыра скушала бы нашу солнечную систему и даже не поперхнулась бы.

Самая маленькая черная дыра

Но есть в обширном семействе черных дыр и совсем маленькие представители. Так самая карликовая черная дыра, открытая учеными на настоящий момент по своей массе всего лишь в 3 раза превосходит массу нашего Солнца. По сути это теоретический минимум, необходимый для образования черной дыры, будь та звезда чуть меньше, дыра бы не образовалась.

Черные дыры – каннибалы

Да, есть такое явление, как мы писали выше, черные дыры являются своего рода «галактическими пылесосами», поглощающими все вокруг себя, и в том числе и… другие черные дыры. Недавно астрономами было обнаружено поедание черной дыры из одной галактике еще большой черной обжорой из другой галактики.

Интересные факты про черные дыры

• Согласно гипотезам некоторых ученых черные дыры являются не только галактическими пылесосами, всасывающими все в себя, но при определенных обстоятельствах могут и сами порождать новые вселенные.
• Черные дыры могут испаряться со временем. Выше мы писали, что английским ученым Стивеном Хокингом было открыто, что черные дыры имеют свойство излучение и через какой-то очень большой отрезок времени, когда поглощать вокруг будет уже нечего, черная дыра начнет больше испарять, пока со временем не отдаст всю свой массу в окружающий космос. Хотя это только предположение, гипотеза.
• Черные дыры замедляют время и искривляют пространство. О замедлении времени мы уже писали, но и пространство в условиях черной дыры будет совершенно искривлено.
• Черные дыры ограничивают количество звезд во Вселенной. А именно их гравитационные поля препятствуют остыванию газовых облаков в космосе, из которых, как известно, рождаются новые звезды.

Черные дыры на канале Discovery, видео

И в завершение предлагаем вам интересный научно-документальный фильм о черных дырах от канала Discovery

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту [email protected] или в Фейсбук, с уважением автор.

Эта статья доступна на английском языке – Black Holes in Space: the Most Interesting Facts.

Что такое черная дыра?

Черная дыра — это область в пространстве-времени, которая имеет гравитационное притяжение настолько сильное, что ничто, даже свет, не может ее покинуть. Граница черной дыры, за пределы которой не может вырваться никакой другой объект или излучение, называется горизонтом событий, а расстояние между этой границей и бесконечно плотным ядром — гравитационным радиусом или радиусом Шварцшильда.

Содержание:

Считается, что любая масса, спрессованная в сферу, радиус которой меньше или равен радиусу Шварцшильда, является черной дырой. Настолько сжатая масса может возникнуть, например, в результате гравитационного коллапса на самых поздних этапах развития очень тяжелой звезды.

Как образуются черные дыры?

Эти монстры возникают как фениксы, возрождаясь из пепла мертвых звезд. Известно, что в звездах происходят реакции термоядерного синтеза — слияние ядер легких атомов в более тяжелые, с выделением большого количества энергии. Так вот, когда звезды достигают конца своей жизни, запасы водорода, который они превращают в гелий, почти полностью истощаются. После водорода они начинают сжигать гелий и так далее, превращая оставшиеся атомы в еще более тяжелые элементы, вплоть до железа, чье слияние уже не дает достаточно энергии для поддержания внешних слоев звезды. Вследствие этого верхние слои рушатся внутрь и взрываются — этот взрыв называется вспышкой сверхновой.

Теоретически, такой взрыв может сжать массу вещества достаточно, чтобы ее радиус стал меньше или равен радиусу Шварцшильда, и она превратилась в черную дыру. Чтобы вы понимали, типичная нейтронная звезда (то, что обычно остается от звезды после вспышки сверхновой) имеет радиус Шварцшильда около 1/3 от ее собственного радиуса.

После образования черная дыра продолжает расти, поглощая материю из окружающего пространства. Поглощение звезд и слияние с другими черными дырами может привести к образованию сверхмассивной черной дыры. Согласно общему пониманию, такие объекты существуют в центрах большинства галактик.

Особенности черной дыры

Черная дыра выглядит очень необычно, лишь отдаленно напоминая некую планету, имеющую странные изогнутые кольца. Однако без аккреционного диска, вращающегося вокруг нее, мы бы ее даже не увидели. Давайте посмотрим какие у нее есть внешние особенности.

Отличительные черты черной дыры

Аккрецонный диск

Кольцевая структура аккреционного диска, состоит из вещества, падающего на черную дыру, оно разогрето и поэтому светится.

Фотонное кольцо

Фотонное кольцо (или орбита фотона) — это свет, который несколько раз сгибался вокруг черной дыры, прежде чем ускользнуть. Он имеет много слоев, которые становятся все тусклее и тусклее, это происходит потому, что с каждым новым витком свету сложнее вырваться за пределы этого монстра.

Эффект Доплера

На приведенном выше изображении левая сторона аккреционного диска выглядит ярче, чем правая из-за Эффекта Доплера, который обусловлен огромной орбитальной скоростью.

Гравитационное линзирование

Мы видим изогнутый аккреционный диск (сверху и снизу), потому что гравитация отклоняет направление света.

Как мы узнали о существовании этих космических монстров?

Уже обнаружено около тысячи объектов, которые причисляются к черным дырам. Всего же предполагается существование десятков миллионов таких объектов. Опишем коротко, как человечество пришло к таким открытиям.

Ранние гипотезы

Гипотеза о существовании такого массивного объекта была впервые предложена в 1783 году английским геологом Джоном Митчеллом в письме Генри Кавендишу из Британского королевского общества. В то время теория гравитации Ньютона и идея второй космической скорости были хорошо известны. По оценкам Митчелла, тело с радиусом в 500 раз больше солнечного и с такой же плотностью будет иметь на своей поверхности вторую космическую скорость, равную скорости света, и поэтому будет невидимым.

В 1796 году французский математик Пьер-Симон Лаплас предложил ту же идею в первом и втором изданиях своей книги «Exposition du système du monde». Однако она не привлекла большого внимания в 19 веке и исчезла из последующих изданий его книги, так как в то время свет считался безмассовой волной, не подверженной влиянию гравитации.

Общая теория относительности

В 1915 году Альберт Эйнштейн разработал общую теорию относительности, ранее показав, что гравитация влияет на движение света. Через несколько месяцев Шварцшильд дал решение для уравнений Эйнштейна (Метрика Шварцшильда), которое достаточно точно описывает гравитационное поле уединённой невращающейся и незаряженной чёрной дыры.

В 1939 году Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер предсказали, что массивные звезды могут подвергнуться резкому гравитационному коллапсу. Однако черные дыры (как гипотетические объекты) не были предметом большого интереса до конца 1960-х годов. Интерес к ним ожил в 1967 году с открытием пульсаров.

Открытие Лебедя X-1 (Cygnus X-1)

Астрономы из Военно-морской исследовательской лаборатории США обнаружили Лебедь Х-1 в 1964 году. Он был дополнительно исследован в 1970-х годах, когда был запущен рентгеновский спутник Ухуру (Uhuru). Когда за объектом начали наблюдать, обнаружилось, что его не было видно ни на одной плоскости электромагнитного спектра, кроме рентгеновских лучей. Более того, рентгеновские лучи мерцали по интенсивности каждую миллисекунду. Затем астрономы переключились на его ближайшего соседа — звезду HDE 226868, у которого была замечена орбита, указывающая на то, что он является частью двойной системы. Однако странность заключалась в том, что ни одна звезда-компаньон не находилась в непосредственной близости от HDE 226868. Чтобы HDE оставался на своей орбите, его спутнику требовалась масса, превышающая таковую у типичного белого карлика или нейтронной звезды. Более того, это странное мерцание могло возникнуть только из-за небольшого объекта, который мог претерпевать такие быстрые изменения. Озадаченные, ученые смотрели на свои предыдущие наблюдения и теории, чтобы попытаться определить, что это за объект, но были шокированы, когда нашли свое решение в теории, которую многие считали просто математической фантазией.

Лебедь X-1 расположен на расстоянии 6 070 световых лет от нас, имеет диаметр всего около 32-64 км, массу около 14,8 солнечных и скорость вращения 800 оборотов в секунду. Все эти данные соответствуют тому, какой должна быть черная дыра, если бы она находилась в непосредственной близости от HDE 226868. Эти два объекта расположены на расстоянии 0,2 а. е. друг от друга, что позволяет Лебедю откачивать материал из своего спутника, придавая ему форму яйца. Было замечено, что материал входит в Лебедя, но в конечном итоге он значительно смещается и «уходит» в сингулярности.

Сингулярность — это точка за горизонтом событий, где, согласно общей теории относительности, пространство-время имеет бесконечную кривизну. В этой области пространство и время перестают существовать в том виде, как мы их знаем, а потому к ней не применимы действующие законы физики. Пространство за горизонтом событий особенно в том смысле, что сингулярность является буквально единственным возможным будущим, поэтому все частицы должны двигаться к нему.

Обнаружение

Несмотря на невидимую внутренность, присутствие таких массивных объектов можно обнаружить по их взаимодействию с окружающими объектами, а также светом и другим электромагнитным излучениям (гравитационное линзирование).

Отличить черную дыру от другого объекта можно по соотношению размера к массе, для этого нужно сравнить ее физический радиус с гравитационным радиусом. Массу и расположение черных дыр рассчитывают используя данные о перемещении звезд.

Какая самая большая черная дыра?

Самая большая черная дыра, присутствующая в нашей галактике — это Стрелец A*, ее масса в 4 миллиона раз больше, чем у Солнца. Она находится на расстоянии 25900 световых лет от Земли и должна иметь радиус не менее 12,7 ± 1,1 млн км.

Черная дыра в галактике Андромеды (M81)

Галактика Андромеды, расположенная на расстоянии 2,5 миллиона световых лет от нас, имеет черную дыру, которая составляет 110–230 миллионов масс Солнца. Этот объект значительно больше Стрельца А* в Млечном Пути.

M87*

Измерения массы, опубликованные телескопом Event Horizon в 2019 году, предполагают, что M87* — самая большая сверхмассивная черная дыра в окрестностях Млечного Пути. Ее масса около 6,5 млрд M☉, она расположена на расстоянии 53,5 млн световых лет от Земли.

Релятивистская струя, выходящая из ядра галактики M87 (составное изображение наблюдений телескопа «Хаббл»)

Вращающийся диск с ионизированным газом окружает черную дыру и приблизительно перпендикулярен релятивистской струе, испускаемой М87*. Диск вращается со скоростью примерно до 1000 км/с и имеет максимальный диаметр 0,12 парсек (25 000 а.е.). Для сравнения, в среднем Плутон находится в 39 астрономических единицах (0,00019 парсек) от Солнца. M87* — это первая и пока единственная черная дыра, изображение которой мы смогли получить, оно было опубликовано 10 апреля 2019 года.

В квазарах

Массы черных дыр в квазарах можно оценить косвенными методами, что предполагает значительную неточность. Квазар TON 618 является примером объекта с чрезвычайно большой черной дырой, оцененной в 66 млрд солнечных масс. Другие примеры квазаров с оцененными массами черных дыр — APM 08279+5255, с массой 23 млрд M☉; S5 0014+81, с массой 40 миллиардов М☉.

Излучение

Предполагается, что черная дыра излучает разнообразные элементарные частицы, этот гипотетический процесс называется излучением Хокинга.

Излучение Хокинга

Понятие о чёрной дыре как объекте, который ничего не излучает, а может лишь поглощать материю, справедливо до тех пор, пока не учитываются квантовые эффекты. В квантовой теории поля физический вакуум наполнен постоянно рождающимися и исчезающими флуктуациями различных полей (можно сказать «виртуальными частицами»). В поле внешних сил динамика этих флуктуаций меняется, и если силы достаточно велики, прямо из вакуума могут рождаться пары частица-античастица. Такие процессы происходят и вблизи (но всё же снаружи) горизонта событий чёрной дыры. При этом возможно, что одна из частиц (неважно какая) падает внутрь чёрной дыры, а другая улетает и доступна для наблюдения.

Читайте также: Стивен Хокинг — биография

Излучение Хокинга является главным аргументом ученых относительно испарения небольших чёрных дыр, которые теоретически могут возникать в ходе экспериментов на БАК.

Как долго может существовать черная дыра?

Гипотетически срок жизни черной дыры зависит от ее массы, которую она теряет из-за излучения Хокинга. Интересно, что черные дыры с меньшей массой теряют ее быстрее, чем более крупные. Это потому, что кривизна, которую они создают в пространстве, является более высокой вокруг горизонта событий. Однако даже в этом случае, черные дыры живут очень и очень долго.

Например, для полного испарения черной дыры с массой Солнца потребуется 10⁶⁷ лет. Для более крупных черных дыр во Вселенной это могло бы занять невероятные 10¹⁰⁰ лет. Гипотетически, когда все звезды и планеты погибнут, черные дыры ещё будут существовать, и в конечном итоге исчезнут сами собой.

«Черные дыры во Вселенной». Глава из книги

Как образуются черные дыры

Для того, чтобы образовалась черная дыра, нужно сжать тело до некоторой критической плотности так, чтобы радиус сжатого тела оказался равным его гравитационному радиусу. Величина этой критической плотности обратно пропорциональна квадрату массы черной дыры.

Для типичной черной дыры звездной массы (M=10M_sun)¹ гравитационный радиус равен 30 км, а критическая плотность 2·10¹⁴ г/см³, то есть двести миллионов тонн в кубическом сантиметре. Эта плотность очень велика по сравнению со средней плотностью Земли (5,5 г/см³), она равна плотности вещества атомного ядра.

Для черной дыры в ядре галактики (M=10¹⁰M_sun) гравитационный радиус равен 3·10¹⁵  см = 200 а.е., что в пять раз больше расстояния от Солнца до Плутона (1 астрономическая единица — среднее расстояние от Земли до Солнца — равна 150 млн. км или 1,5·10¹³ см). Критическая плотность при этом равна 0,2·10^–3 г/см³, что в несколько раз меньше плотности воздуха, равной 1,3·10^–3 г/см³ (!).

Для Земли (M=3·10^–6M_sun) гравитационный радиус близок к 9 мм, а соответствующая критическая плотность чудовищно велика: ρ_кр = 2·10²⁷ г/см³, что на 13 порядков выше плотности атомного ядра.

Если мы возьмем некий воображаемый сферический пресс и будем сжимать Землю, сохраняя ее массу, то когда мы уменьшим радиус Земли (6370 км) в четыре раза, ее вторая космическая скорость возрастет вдвое и станет равной 22,4 км/c. Если же мы сожмем Землю так, что ее радиус станет равным примерно 9 мм, то вторая космическая скорость примет значение, равное скорости света c = 300000 км/с.

Дальше пресс не понадобится — сжатая до таких размеров Земля уже сама будет сжиматься. В конце концов, на месте Земли образуется черная дыра, радиус горизонта событий которой будет близок к 9 мм (если пренебречь вращением образовавшейся черной дыры). В реальных условиях, разумеется, никакого сверхмощного пресса нет — «работает» гравитация. Именно поэтому черные дыры могут образовываться лишь при коллапсе внутренних частей весьма массивных звезд, у которых гравитация достаточно сильна, чтобы сжать вещество до критической плотности.

Эволюция звезд

Черные дыры образуются на конечных стадиях эволюции массивных звезд. В недрах обычных звезд идут термоядерные реакции, выделяется огромная энергия и поддерживается высокая температура (десятки и сотни миллионов градусов). Силы гравитации стремятся сжать звезду, а силы давления горячего газа и излучения противостоят этому сжатию. Поэтому звезда находится в гидростатическом равновесии.

Кроме того, в звезде может существовать тепловое равновесие, когда энерговыделение, обусловленное термоядерными реакциями в ее центре, в точности равно мощности, излучаемой звездой с поверхности. При сжатии и расширении звезды тепловое равновесие нарушается. Если звезда стационарна, то ее равновесие устанавливается так, что отрицательная потенциальная энергия звезды (энергия гравитационного сжатия) по абсолютной величине всегда вдвое больше тепловой энергии. Из-за этого звезда обладает удивительным свойством — отрицательной теплоемкостью. Обычные тела имеют положительную теплоемкость: нагретый кусок железа, остывая, то есть, теряя энергию, понижает свою температуру. У звезды же все наоборот: чем больше она теряет энергии в виде излучения, тем выше становится температура в ее центре.

Эта странная, на первый взгляд, особенность находит простое объяснение: звезда, излучая, медленно сжимается. При сжатии потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию падения слоев звезды, и ее недра разогреваются. Причем тепловая энергия, приобретаемая звездой в результате сжатия, вдвое больше энергии, которая теряется в виде излучения. В итоге температура недр звезды растет, и осуществляется непрерывный термоядерный синтез химических элементов. Например, реакция преобразования водорода в гелий в нынешнем Солнце идет при температуре 15 миллионов градусов. Когда, через 4 миллиарда лет, в центре Солнца водород весь превратится в гелий, для дальнейшего синтеза атомов углерода из атомов гелия потребуется значительно более высокая температура, около 100 миллионов градусов (электрический заряд ядер гелия вдвое больше, чем ядер водорода, и чтобы сблизить ядра гелия на расстояние 10^–13 см требуется гораздо большая температура). Именно такая температура будет обеспечена благодаря отрицательной теплоемкости Солнца к моменту зажигания в его недрах термоядерной реакции превращения гелия в углерод.

Белые карлики

Если масса звезды невелика, так что масса ее ядра, затронутого термоядерными превращениями, менее 1,4M_sun, термоядерный синтез химических элементов может прекратиться из-за так называемого вырождения электронного газа в ядре звезды. В частности, давление вырожденного газа зависит от плотности, но не зависит от температуры, поскольку энергия квантовых движений электронов много больше энергии их теплового движения.

Высокое давление вырожденного электронного газа эффективно противодействует силам гравитационного сжатия. Поскольку давление не зависит от температуры, потеря энергии звездой в виде излучения не приводит к сжатию ее ядра. Следовательно, гравитационная энергия не выделяется в виде добавочного тепла. Поэтому температура в эволюционирующем вырожденном ядре не растет, что приводит к прерыванию цепочки термоядерных реакций.

Внешняя водородная оболочка, не затронутая термоядерными реакциями, отделяется от ядра звезды и образует планетарную туманность, светящуюся в линиях излучения водорода, гелия и других элементов. Центральное компактное и сравнительно горячее ядро проэволюционировавшей звезды небольшой массы представляет собой белый карлик — объект с радиусом порядка радиуса Земли (~10⁴ км), массой менее 1,4M_sun и средней плотностью порядка тонны в кубическом сантиметре. Белые карлики наблюдаются в большом количестве. Их полное число в Галактике достигает 10¹⁰, то есть около 10% от всей массы наблюдаемого вещества Галактики.

Термоядерное горение в вырожденном белом карлике может быть неустойчивым и приводить к ядерному взрыву достаточно массивного белого карлика с массой, близкой к так называемому чандрасекаровскому пределу (1,4M_sun). Такие взрывы выглядят, как вспышки сверхновых I типа, у которых в спектре нет линий водорода, а только линии гелия, углерода, кислорода и других тяжелых элементов.

Нейтронные звезды

Если ядро звезды вырождено, то при приближении его массы к пределу 1,4M_sun обычное вырождение электронного газа в ядре сменяется так называемым релятивистским вырождением.

Квантовые движения вырожденных электронов становятся такими быстрыми, что их скорости приближаются к скорости света. При этом упругость газа падает, его способность противодействовать силам гравитации уменьшается, и звезда испытывает гравитационный коллапс. Во время коллапса электроны захватываются протонами, и происходит нейтронизация вещества. Это ведет к формированию из массивного вырожденного ядра нейтронной звезды.

Если исходная масса ядра звезды превышает 1,4M_sun, то в ядре достигается высокая температура, и вырождение электронов не происходит на протяжении всей ее эволюции. В этом случае работает отрицательная теплоемкость: по мере потери энергии звездой в виде излучения температура в ее недрах растет, и идет непрерывная цепочка термоядерных реакций превращения водорода в гелий, гелия в углерод, углерода в кислород и так далее, вплоть до элементов группы железа. Реакция термоядерного синтеза ядер элементов, более тяжелых, чем железо, идет уже не с выделением, а с поглощением энергии. Поэтому, если масса ядра звезды, состоящего в основном из элементов группы железа, превышает чандрасекаровский предел 1,4M_sun, но меньше так называемого предела Оппенгеймера–Волкова ~3M_sun, то в конце ядерной эволюции звезды происходит гравитационный коллапс ядра, в результате которого внешняя водородная оболочка звезды сбрасывается, что наблюдается как вспышка сверхновой звезды II типа, в спектре которой наблюдаются мощные линии водорода.

Коллапс железного ядра приводит к формированию нейтронной звезды.

При сжатии массивного ядра звезды, достигшей поздней стадии эволюции, температура поднимается до гигантских значений порядка миллиарда градусов, когда ядра атомов начинают разваливаться на нейтроны и протоны. Протоны поглощают электроны, превращаются в нейтроны, испуская при этом нейтрино. Нейтроны же, согласно квантово–механическому принципу Паули, при сильном сжатии начинают эффективно отталкиваться друг от друга.

Когда масса коллапсирующего ядра меньше 3M_sun, скорости нейтронов значительно меньше скорости света и упругость вещества, обусловленная эффективным отталкиванием нейтронов, может уравновесить силы гравитации и привести к образованию устойчивой нейтронной звезды.

Впервые возможность существования нейтронных звезд была предсказана в 1932 году выдающимся советским физиком Ландау сразу после открытия нейтрона в лабораторных экспериментах. Радиус нейтронной звезды близок к 10 км, ее средняя плотность составляет сотни миллионов тонн в кубическом сантиметре.

Черные дыры

Когда масса коллапсирующего ядра звезды больше 3M_sun, то, согласно существующим представлениям, образующаяся нейтронная звезда, остывая, коллапсирует в черную дыру. Коллапсу нейтронной звезды в черную дыру способствует также обратное падение части оболочки звезды, сброшенной при взрыве сверхновой.

Нейтронная звезда, как правило, быстро вращается, поскольку породившая ее обычная звезда может иметь значительный угловой момент. Когда ядро звезды коллапсирует в нейтронную звезду, характерные размеры звезды уменьшаются от R = 10⁵–10⁶ км до R ≈ 10 км. С уменьшением размера звезды уменьшается ее момент инерции. Для сохранения момента количества движения должна резко вырасти скорость осевого вращения. Например, если Солнце, вращающееся с периодом около месяца, сжать до размеров нейтронной звезды, то период вращения уменьшится до 10^–3 секунды.

Одиночные нейтронные звезды с сильным магнитным полем проявляют себя как радиопульсары — источники строго периодических импульсов радиоизлучения, возникающих при преобразовании энергии быстрого вращения нейтронной звезды в направленное радиоизлучение. В двойных системах аккрецирующие нейтронные звезды демонстрируют феномен рентгеновского пульсара и рентгеновского барстера 1-го типа.

У черной дыры строго периодических пульсаций излучения ожидать не приходится, поскольку черная дыра не имеет наблюдаемой поверхности и магнитного поля. Как часто выражаются физики, черные дыры не имеют «волос» — все поля и все неоднородности вблизи горизонта событий излучаются при формировании черной дыры из коллапсирующей материи в виде потока гравитационных волн. В итоге, у образовавшейся черной дыры имеются лишь три характеристики: масса, угловой момент и электрический заряд. Все индивидуальные свойства коллапсирующего вещества при образовании черной дыры забываются: например, черные дыры, образовавшиеся из железа и из воды, имеют при прочих равных условиях одинаковые характеристики.

Как предсказывает Общая теория относительности (ОТО), звезды, массы железных ядер которых в конце эволюции превышают 3M_sun, испытывают неограниченное сжатие (релятивистский коллапс) с образованием черной дыры. Это объясняется тем, что в ОТО силы гравитации, стремящиеся сжать звезду, определяются плотностью энергии, а при громадных плотностях вещества, достигаемых при сжатии столь массивного ядра звезды, главный вклад в плотность энергии вносит уже не энергия покоя частиц, а энергия их движения и взаимодействия. Получается, что в ОТО давление вещества при очень больших плотностях как бы само «весит»: чем больше давление, тем больше плотность энергии и, следовательно, тем больше силы гравитации, стремящиеся сжать вещество. Кроме того, при сильных гравитационных полях становятся принципиально важными эффекты искривления пространства–времени, что также способствует неограниченному сжатию ядра звезды и превращению его в черную дыру (рис. 3).

В заключение отметим, что черные дыры, образовавшиеся в нашу эпоху (например, черная дыра в системе Лебедь X-1), строго говоря, не являются стопроцентными черными дырами, поскольку из-за релятивистского замедления хода времени для далекого наблюдателя горизонты событий у них еще не сформировались. Поверхности таких коллапсирующих звезд выглядят для земного наблюдателя как застывшие, бесконечно долго приближающиеся к своим горизонтам событий.

Чтобы черные дыры из таких коллапсирующих объектов сформировались окончательно, мы должны прождать все бесконечно большое время существования нашей Вселенной. Следует подчеркнуть, однако, что уже в первые секунды релятивистского коллапса поверхность коллапсирующей звезды для наблюдателя с Земли приближается очень близко к горизонту событий, и все процессы на этой поверхности бесконечно замедляются.

---

¹Здесь и далее M_sun, или , означает массу Солнца.

Черные дыры: описание, факты, классификация

Объекты глубокого космоса > Черные дыры

Черные дыры – одни из наиболее интересных и таинственных объектов в космическом пространстве. Обладают высокой плотностью, а гравитационная сила настолько мощная, что даже свету не удается вырваться за ее пределы.

Впервые о черных дырах заговорил Альберт Эйнштейн в 1916 году, когда создал общую теорию относительности. Сам термин возник в 1967 году благодаря Джону Уилеру. А первую черную дыру «заметили» в 1971 году.

Классификация черных дыр включает три типа: черные дыры звездной массы, сверхмассивные и черные дыры средней массы. Обязательно посмотрите видео про черные дыры, чтобы узнать много интересных фактов и познакомиться с этими загадочными космическими формированиями поближе.

Интересные факты о черных дырах

• Если вы оказались внутри черной дыры, то гравитация будет вас растягивать. Но бояться не нужно, ведь вы умрете еще до того, как достигнете сингулярности. Исследования 2012 года предположили, что квантовые эффекты превращают горизонт событий в огненную стену, сделавшую из вас кучку пепла.
• Черные дыры не «всасывают». Этот процесс вызывается вакуумом, которого нет в этом образовании. Так что материал просто падает.
• Первой черной дырой стал Лебедь Х-1, найденный ракетами со счетчиками Гейгера. В 1971 году ученые получили сигнал радиоизлучения от Лебедя Х-1. Этот объект стал предметом спора между Кипом Торном и Стивеном Хокингом. Последний считал, что это не черная дыра. В 1990 году он признал свое поражение.
• Крошечные черные дыры могли появиться сразу после Большого Взрыва. Стремительно вращающееся пространство сжимало некоторые области в плотные дыры, с меньшей массивностью, чем у Солнца.
• Если звезда подойдет слишком близко, то ее может разорвать.
• По общим подсчетам, существует примерно до миллиарда звездных черных дыр с массой втрое больше солнечной.
• Если сравнивать теорию струн и классическую механику, то первая порождает больше разновидностей массивных гигантов.

Опасность черных дыр

Когда у звезды заканчивается топливо, она может запустить процесс саморазрушения. Если ее масса была втрое больше солнечной, то оставшееся ядро станет нейтронной звездой или белым карликом. Но более крупная звезда трансформируется в черную дыру.

Зависимость между массой черной дыры и массой балджа

Такие объекты маленькие, но обладают невероятной плотностью. Представьте, что перед вами объект, размером в город, но его масса в три раза больше солнечной. Это создает невероятно огромную гравитационную силу, которая притягивает пыль и газ, увеличивая ее размеры. Вы удивитесь, но в Млечном Пути может располагаться несколько сотен миллионов звездных черных дыр.

Сверхмассивные черные дыры

Конечно, ничто во Вселенной не сравнится с устрашающими сверхмассивными черными дырами. Они превосходят солнечную массу в миллиарды раз. Полагают, что такие объекты есть практически в каждой галактике. Ученые пока не знают всех тонкостей процесса формирования. Скорее всего, они вырастают за счет накапливания массы из окружающего пыли и газа.

Размер крупнейшей из известных черных дыр

Возможно, они обязаны своим масштабам слиянию тысячи небольших черных дыр. Или же могло разрушиться целое звездное скопление.

Промежуточные черные дыры

Не так давно ученые нашли новый вид - черные дыры средней массы (промежуточные). Они могут формироваться, когда звезды в скоплении сталкиваются, поддавшись цепной реакции. В итоге, падают в центр и формируют сверхмассивную черную дыру.

Рост черных дыр

В 2014 году астрономы обнаружили промежуточный тип в рукаве спиральной галактики. Их очень сложно найти, потому что могут располагаться в непредсказуемых местах.

Теория черных дыр

Черные дыры - чрезвычайно массивные объекты, но охватывают сравнительно скромный объем пространства. Кроме того, обладают огромной гравитацией, не позволяя объектам (и даже свету) покинуть их территорию. Однако, напрямую увидеть их невозможно. Исследователям приходится обращаться к излучению, появляющемуся, когда черная дыра питается.

Черные дыры в сливающихся галактиках

Интересно, но бывает так, что вещество, направляющееся к черной дыре, отскакивает от горизонта событий и выбрасывается наружу. При этом формируются яркие струи материала, передвигающиеся на релятивистских скоростях. Эти выбросы можно зафиксировать на больших дистанциях.

Черные дыры – удивительные объекты, в которых сила тяжести настолько огромна, что может сгибать свет, деформировать пространство и искажать время.

В черных дырах можно выделить три слоя: внешний и внутренний горизонт событий и сингулярность.

Горизонт событий черной дыры – граница, где у света пропадают все шансы на бегство. Как только частичка переходит этот рубеж, она не сможет уйти. Внутренняя область, где находится масса черной дыры, называется сингулярностью.

Черная дыра Млечного Пути может являться источником высокоэнергетических нейтрино

Если мы говорим с позиции классической механики, то ничто не может покинуть черную дыру. Но квантовая вносит свою поправку. Дело в том, что у каждой частицы есть античастица. Они обладают одинаковыми массами, но разным зарядом. Если пересеклись, то могут аннигилировать друг друга.

Когда такая пара возникает за пределами горизонта событий, то одна из них может втянуться, а вторая оттолкнется. Из-за этого горизонт способен уменьшиться, а черная дыра разрушиться. Ученые все еще пытаются изучить этот механизм.

Наиболее известные черные дыры

Часто задаваемые вопросы о черных дырах

- Что такое черная дыра?

Если более емко, то черная дыра - определенный участок в космосе, в котором сконцентрировано такое огромное количество массы, что ни одному объекту не удается избежать гравитационного влияния. Когда речь идет о гравитации, мы полагаемся на общую теорию относительности, предложенную Альбертом Эйнштейном. Чтобы разобраться в деталях изучаемого объекта, будем двигаться поэтапно.

Давайте представим, что вы находитесь на поверхности планеты и подбрасываете булыжник. Если вы не обладаете мощью Халка, то не сможете приложить достаточно силы. Тогда камень поднимется на определенную высоту, но под давлением гравитации рухнет обратно. Если же у вас есть скрытый потенциал зеленого силача, то вы способны придать объекту достаточное ускорение, благодаря которому он полностью покинет зону гравитационного воздействия. Это называется «скорость убегания».

Если разбить на формулу, то эта скорость зависит от планетарной массы. Чем она больше, тем мощнее гравитационный захват. Скорость вылета будет полагаться на то, где именно вы находитесь: чем ближе к центру, тем проще выбраться. Скорость вылета нашей планеты – 11.2 км/с, а вот Луны – 2.4 км/с.

Приближаемся к самому интересному. Допустим у вас есть объект с невероятной концентрацией массы, собранной в крошечном месте. В таком случае скорость убегания превышает скорость света. А мы знаем, что ничто не движется быстрее этого показателя, а значит, никто не сможет преодолеть такую силу и сбежать. Даже световому лучу это не под силу!

90000 How Scientists Captured the First Image of a Black Hole - Teachable Moments 90001 90002 In the News 90003 90004 Accomplishing what was previously thought to be impossible, a team of international astronomers has captured an image of a black hole's silhouette. Evidence of the existence of black holes - mysterious places in space where nothing, not even light, can escape - has existed for quite some time, and astronomers have long observed the effects on the surroundings of these phenomena.In the popular imagination, it was thought that capturing an image of a black hole was impossible because an image of something from which no light can escape would appear completely black. For scientists, the challenge was how, from thousands or even millions of light-years away, to capture an image of the hot, glowing gas falling into a black hole. An ambitious team of international astronomers and computer scientists has managed to accomplish both. Working for well over a decade to achieve the feat, the team improved upon an existing radio astronomy technique for high-resolution imaging and used it to detect the silhouette of a black hole - outlined by the glowing gas that surrounds its event horizon, the precipice beyond which light can not escape.Learning about these mysterious structures can help students understand gravity and the dynamic nature of our universe, all while sharpening their math skills. 90005 90002 How They Did It 90003 90004 Though scientists had theorized they could image black holes by capturing their silhouettes against their glowing surroundings, the ability to image an object so distant still eluded them. A team formed to take on the challenge, creating a network of telescopes known as the Event Horizon Telescope, or the EHT.They set out to capture an image of a black hole by improving upon a technique that allows for the imaging of far-away objects, known as Very Long Baseline Interferometry, or VLBI. 90005 90004 Telescopes of all types are used to see distant objects. The larger the diameter, or aperture, of the telescope, the greater its ability to gather more light and the higher its resolution (or ability to image fine details). To see details in objects that are far away and appear small and dim from Earth, we need to gather as much light as possible with very high resolution, so we need to use a telescope with a large aperture.90005 90004 That's why the VLBI technique was essential to capturing the black hole image. VLBI works by creating an array of smaller telescopes that can be synchronized to focus on the same object at the same time and act as a giant virtual telescope. In some cases, the smaller telescopes are also an array of multiple telescopes. This technique has been used to track spacecraft and to image distant cosmic radio sources, such as quasars. 90005 90004 Making up one piece of the EHT array of telescopes, the Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) in Chile has 66 high-precision antennas.Image credit: NRAO / AUI / NSF | + Expand image 90005 90004 The aperture of a giant virtual telescope such as the Event Horizon Telescope is as large as the distance between the two farthest-apart telescope stations - for the EHT, those two stations are at the South Pole and in Spain, creating an aperture that's nearly the same as the diameter of Earth. Each telescope in the array focuses on the target, in this case the black hole, and collects data from its location on Earth, providing a portion of the EHT's full view.The more telescopes in the array that are widely spaced, the better the image resolution. 90005 90004 To test VLBI for imaging a black hole and a number of computer algorithms for sorting and synchronizing data, the Event Horizon Telescope team decided on two targets, each offering unique challenges. 90005 90004 The closest supermassive black hole to Earth, Sagittarius A *, interested the team because it is in our galactic backyard - at the center of our Milky Way galaxy, 26,000 light-years (156 quadrillion miles) away.(An asterisk is the astronomical standard for denoting a black hole.) Though not the only black hole in our galaxy, it is the black hole that appears largest from Earth. But its location in the same galaxy as Earth meant the team would have to look through "pollution" caused by stars and dust to image it, meaning there would be more data to filter out when processing the image. Nevertheless, because of the black hole's local interest and relatively large size, the EHT team chose Sagittarius A * as one of its two targets.90005 90004 A close-up image of the core of the M87 galaxy, imaged by the Chandra X-ray Observatory. Image credit: NASA / CXC / Villanova University / J. Neilsen | + Expand image 90005 90004 This image from NASA's Hubble Space Telescope shows a jet of subatomic particles streaming from the center of M87 *. Image credits: NASA and the Hubble Heritage Team (STScI / AURA) | + Expand image 90005 90004 The second target was the supermassive black hole M87 *. One of the largest known supermassive black holes, M87 * is located at the center of the gargantuan elliptical galaxy Messier 87, or M87, 53 million light-years (318 quintillion miles) away.30 kilograms. In addition to its size, M87 * interested scientists because, unlike Sagittarius A *, it is an active black hole, with matter falling into it and spewing out in the form of jets of particles that are accelerated to velocities near the speed of light. But its distance made it even more of a challenge to capture than the relatively local Sagittarius A *. As described by Katie Bouman, a computer scientist with the EHT who led development of one of the algorithms used to sort telescope data during the processing of the historic image, it's akin to capturing an image of an orange on the surface of the Moon.90005 90004 By 2017, the EHT was a collaboration of eight sites around the world - and more have been added since then. Before the team could begin collecting data, they had to find a time when the weather was likely to be conducive to telescope viewing at every location. For M87 *, the team tried for good weather in April 2017 and, of the 10 days chosen for observation, a whopping four days were clear at all eight sites! 90005 90004 Each telescope used for the EHT had to be highly synchronized with the others to within a fraction of a millimeter using an atomic clock locked onto a GPS time standard.This degree of precision makes the EHT capable of resolving objects about 4,000 times better than the Hubble Space Telescope. As each telescope acquired data from the target black hole, the digitized data and time stamp were recorded on computer disk media. Gathering data for four days around the world gave the team a substantial amount of data to process. The recorded media were then physically transported to a central location because the amount of data, around 5 petabytes, exceeds what the current internet speeds can handle.At this central location, data from all eight sites were synchronized using the time stamps and combined to create a composite set of images, revealing the never-before-seen silhouette of M87 * 's event horizon. The team is also working on generating an image of Sagittarius A * from additional observations made by the EHT. 90005 90032 90033 90004 This zoom video starts with a view of the ALMA telescope array in Chile and zooms in on the heart of M87, showing successively more detailed observations and culminating in the first direct visual evidence of a supermassive black hole's silhouette.Credit: ESO / L. Calçada, Digitized Sky Survey 2, ESA / Hubble, RadioAstron, De Gasperin et al., Kim et al., EHT Collaboration. Music: Niklas Falcke | Watch on YouTube 90005 90004 As more telescopes are added and the rotation of Earth is factored in, more of the image can be resolved, and we can expect future images to be higher resolution. But we might never have a complete picture, as Katie Bouman explains here (under "Imaging a Black Hole"). 90005 90004 To complement the EHT findings, several NASA spacecraft were part of a large effort to observe the black hole using different wavelengths of light.As part of this effort, NASA's Chandra X-ray Observatory, Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) and Neil Gehrels Swift Observatory space telescope missions - all designed to detect different varieties of X-ray light - turned their gaze to the M87 black hole around the same time as the EHT in April 2017. NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope was also watching for changes in gamma-ray light from M87 * during the EHT observations. If the EHT observed changes in the structure of the black hole's environment, data from these missions and other telescopes could be used to help figure out what was going on.90005 90004 Though NASA observations did not directly trace out the historic image, astronomers used data from Chandra and NuSTAR satellites to measure the X-ray brightness of M87 * 's jet. Scientists used this information to compare their models of the jet and disk around the black hole with the EHT observations. Other insights may come as researchers continue to pore over these data. 90005 90002 Why It's Important 90003 90004 Learning about mysterious structures in the universe provides insight into physics and allows us to test observation methods and theories, such as Einstein's theory of general relativity.Massive objects deform spacetime in their vicinity, and although the theory of general relativity has directly been proven accurate for smaller-mass objects, such as Earth and the Sun, the theory has not yet been directly proven for black holes and other regions containing dense matter . 90005 90004 One of the main results of the EHT black hole imaging project is a more direct calculation of a black hole's mass than ever before. Using the EHT, scientists were able to directly observe and measure the radius of M87 * 's event horizon, or its Schwarzschild radius, and compute the black hole's mass.That estimate was close to the one derived from a method that uses the motion of orbiting stars - thus validating it as a method of mass estimation. 90005 90004 The size and shape of a black hole, which depend on its mass and spin, can be predicted from general relativity equations. General relativity predicts that this silhouette would be roughly circular, but other theories of gravity predict slightly different shapes. The image of M87 * shows a circular silhouette, thus lending credibility to Einstein's theory of general relativity near black holes.90005 90004 This artist's impression depicts a rapidly spinning supermassive black hole surrounded by an accretion disc. Image credit: ESO | + Expand image 90005 90004 The data also offer some insight into the formation and behavior of black hole structures, such as the accretion disk that feeds matter into the black hole and plasma jets that emanate from its center. Scientists have hypothesized about how an accretion disk forms, but they've never been able to test their theories with direct observation until now.Scientists are also curious about the mechanism by which some supermassive black holes emit enormous jets of particles traveling at near light-speed. 90005 90004 These questions and others will be answered as more data is acquired by the EHT and synthesized in computer algorithms. Be sure to stay tuned for that and the next expected image of a black hole - our Milky Way's own Sagittarius A *. 90005 90002 Teach It 90003 90004 Capture your students 'enthusiasm about black holes by challenging them to solve these 90059 standards-aligned math problems 90060.90005 90004 Model black-hole interaction with this NGSS-aligned lesson: 90005 90002 Explore More 90003 90004 Check out these related resources for students from NASA's Space Place 90005 90004 90059 TAGS: Black Hole, Teachable Moments, Science, K-12 Education, Teachers, Educators 90060 90005 90072 90073 90004 Ota Lutz, STEM Elementary and Secondary Education Specialist, NASA / JPL Edu 90005 90004 90077 Ota Lutz is a STEM elementary and secondary education specialist at NASA's Jet Propulsion Laboratory.When she's not writing new lessons or teaching, she's probably cooking something delicious, volunteering in the community, or dreaming about where she will travel next. 90078 90005 90080 90081.90000 Black Holes: Facts, Theory & Definition 90001 90002 Black holes are some of the strangest and most fascinating objects in outer space. They're extremely dense, with such strong gravitational attraction that even light can not escape their grasp if it comes near enough. 90003 90002 Albert Einstein first predicted the existence of black holes in 1916 with his general theory of relativity. The term "black hole" was coined many years later in тисяча дев'ятсот шістьдесят сім by American astronomer John Wheeler. After decades of black holes being known only as theoretical objects, the first physical black hole ever discovered was spotted in тисячі дев'ятсот сімдесят одна.90003 90002 Then, in 2019 the Event Horizon Telescope (EHT) collaboration 90007 released the first image ever recorded of a black hole 90008. The EHT saw the black hole in the center of galaxy M87 while the telescope was examining the event horizon, or the area past which nothing can escape from a black hole. The image maps the sudden loss of photons (particles of light). It also opens up a whole new area of ​​research in black holes, now that astronomers know what a black hole looks like. 90003 90002 So far, astronomers have identified three types of black holes: stellar black holes, supermassive black holes and intermediate black holes.90003 90012 Stellar black holes - small but deadly 90013 90002 When a star burns through the last of its fuel, the object may collapse, or fall into itself. For smaller stars (those up to about three times the sun's mass), the new core will become a neutron star or a white dwarf. But when a larger star collapses, it continues to compress and creates a stellar black hole. 90003 90002 Black holes formed by the collapse of individual stars are relatively small, but incredibly dense. One of these objects packs more than three times the mass of the sun into the diameter of a city.This leads to a crazy amount of gravitational force pulling on objects around the object. Stellar black holes then consume the dust and gas from their surrounding galaxies, which keeps them growing in size. 90003 90002 According the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, "the Milky Way contains a few hundred million" stellar black holes. 90003 90012 Supermassive black holes - the birth of giants 90013 90002 Small black holes populate the universe, but their cousins, supermassive black holes, dominate.These enormous black holes are millions or even billions of times as massive as the sun, but are about the same size in diameter. Such black holes are thought to lie at the center of pretty much every galaxy, including the Milky Way. 90003 90002 Scientists are not certain how such large black holes spawn. Once these giants have formed, they gather mass from the dust and gas around them, material that is plentiful in the center of galaxies, allowing them to grow to even more enormous sizes. 90003 90002 Supermassive black holes may be the result of hundreds or thousands of tiny black holes that merge together.Large gas clouds could also be responsible, collapsing together and rapidly accreting mass. A third option is the collapse of a stellar cluster, a group of stars all falling together. Fourth, supermassive black holes could arise from 90007 large clusters of dark matter 90008. This is a substance that we can observe through its gravitational effect on other objects; however, we do not know 90007 what dark matter is composed of 90008 because it does not emit light and can not be directly observed.90003 90002 90003 Illustration of a young black hole, such as the two distant dust-free quasars spotted recently by the Spitzer Space Telescope. More photos of black holes of the universe (Image credit: NASA / JPL-Caltech) 90002 Scientists once thought that black holes came in only small and large sizes, but recent research has revealed the possibility that midsize, or intermediate, black holes (IMBHs ) could exist. Such bodies could form when stars in a cluster collide in a chain reaction. Several of these IMBHs forming in the same region could then eventually fall together in the center of a galaxy and create a supermassive black hole.90003 90002 In 2014 року, astronomers found what appeared to be an intermediate-mass black hole in the arm of a spiral galaxy. 90003 90002 "Astronomers have been looking very hard for these medium-sized black holes," study co-author Tim Roberts, of the University of Durham in the United Kingdom, said in a statement. "There have been hints that they exist, but IMBHs have been acting like a long-lost relative that is not interested in being found." 90003 90002 Newer research, from 2018, suggested that these IMBHs may exist in the heart of 90007 dwarf galaxies 90008 (or very small galaxies).Observations of 10 such galaxies (five of which were previously unknown to science before this latest survey) revealed X-ray activity - common in black holes - suggesting the presence of black holes of from 36,000 to 316,000 solar masses. The information came from the 90007 Sloan Digital Sky Survey 90008, which examines about 1 million galaxies and can detect the kind of light often observed coming from black holes that are picking up nearby debris. 90003 90012 What do black holes look like? 90013 90002 90003 Black holes are strange regions where gravity is strong enough to bend light, warp space and distort time.See how black holes work in this SPACE.com infographic. (Image credit: Karl Tate, SPACE.com contributor) 90002 Black holes have three "layers": the outer and inner event horizon, and the singularity. 90003 90002 The event horizon of a black hole is the boundary around the mouth of the black hole, past which light can not escape. Once a particle crosses the event horizon, it can not leave. Gravity is constant across the event horizon. 90003 90002 The inner region of a black hole, where the object's mass lies, is known as its singularity, the single point in space-time where the mass of the black hole is concentrated.90003 90002 Scientists can not see black holes the way they can see stars and other objects in space. Instead, astronomers must rely on detecting the radiation black holes emit as dust and gas are drawn into the dense creatures. But supermassive black holes, lying in the center of a galaxy, may become shrouded by the thick dust and gas around them, which can block the telltale emissions. 90003 90002 Sometimes, as matter is drawn toward a black hole, it ricochets off the event horizon and is hurled outward, rather than being tugged into the maw.Bright jets of material traveling at near-relativistic speeds are created. Although the black hole remains unseen, these powerful jets can be viewed from great distances. 90003 90002 The 90007 Event Horizon Telescope's image of a black hole in M87 90008 (released in 2019) was an extraordinary effort, requiring two years of research even after the images were taken. That's because the collaboration of telescopes, which stretches across many observatories worldwide, produces an astounding amount of data that is too large to transfer by internet.90003 90002 With time, researchers expect to image other black holes and build up a repository of what the objects look like. The next target is likely Sagittarius A *, which is the black hole in the center of our own Milky Way galaxy. Sagittarius A * is intriguing because it is quieter than expected, which may be due to 90007 magnetic fields smothering its activity 90008, a 2019 study reported. Another study that year showed that a 90007 cool gas halo surrounds Sagittarius A * 90008, which gives unprecedented insight into what the environment around a black hole looks like.90003 90002 90003 The Event Horizon Telescope, a planet-scale array of eight ground-based radio telescopes forged through international collaboration, captured this image of the supermassive black hole in the center of the galaxy M87 and its shadow. (Image credit: EHT Collaboration) 90012 Shining light on binary black holes 90013 90002 In 2015 року, astronomers using the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) detected gravitational waves from merging stellar black holes. 90003 90002 "We have further confirmation of the existence of stellar-mass black holes that are larger than 20 solar masses - these are objects we did not know existed before LIGO detected them," David Shoemaker, the spokesperson for the LIGO Scientific Collaboration ( LSC), said in a statement.LIGO's observations also provide insights about the direction a black hole spins. As two black holes spiral around one another, they can spin in the same direction or in the opposite direction. 90003 90002 There are two theories on how binary black holes form. The first suggests that the two black holes in a binary form at about the same time, from two stars that were born together and died explosively at about the same time. The companion stars would have had the same spin orientation as one another, so the two black holes left behind would as well.90003 90002 Under the second model, black holes in a stellar cluster sink to the center of the cluster and pair up. These companions would have random spin orientations compared to one another. LIGO's observations of companion black holes with different spin orientations provide stronger evidence for this formation theory. 90003 90002 "We're starting to gather real statistics on binary black hole systems," said LIGO scientist Keita Kawabe of Caltech, who is based at the LIGO Hanford Observatory."That's interesting because some models of black hole binary formation are somewhat favored over the others even now, and in the future, we can further narrow this down." 90003 90012 Weird facts about black holes 90013 90086 90087 If you fell into a black hole, theory has long suggested that gravity would stretch you out like spaghetti, though your death would come before you reached the singularity. But a 2012 study published in the journal Nature suggested that quantum effects would cause the event horizon to act much like a wall of fire, which would instantly burn you to death.90088 90087 Black holes do not suck. Suction is caused by pulling something into a vacuum, which the massive black hole definitely is not. Instead, objects fall into them just as they fall toward anything that exerts gravity, like the Earth. 90088 90087 The first object considered to be a black hole is Cygnus X-1. Cygnus X-1 was the subject of a +1974 friendly wager between Stephen Hawking and fellow physicist Kip Thorne, with Hawking betting that the source was not a black hole. In 1990, Hawking conceded defeat.90088 90087 Miniature black holes may have formed immediately after the Big Bang. Rapidly expanding space may have squeezed some regions into tiny, dense black holes less massive than the sun. 90088 90087 If a star passes too close to a black hole, the star can be torn apart. 90088 90087 Astronomers estimate that the Milky Way has anywhere from 10 million to 1 billion stellar black holes, with masses roughly three times that of the sun. 90088 90087 Black holes remain terrific fodder for science fiction books and movies.Check out the movie "Interstellar," which relied heavily on Thorne to incorporate science. Thorne's work with the movie's special effects team led to scientists 'improved understanding of how distant stars might appear when seen near a fast-spinning black hole. 90088 90101 90002 90103 Additional resources: 90104 90003 90002 90107 This article was updated on July 11, 2019 by Space.com Contributor Elizabeth Howell. 90108 90003 .90000 Black Holes | Science Mission Directorate 90001 90002 Do not let the name fool you: a black hole is anything but empty space. Rather, it is a great amount of matter packed into a very small area - think of a star ten times more massive than the Sun squeezed into a sphere approximately the diameter of New York City. The result is a gravitational field so strong that nothing, not even light, can escape. In recent years, NASA instruments have painted a new picture of these strange objects that are, to many, the most fascinating objects in space.90003 90002 90005 Intense X-ray flares thought to be caused by a black hole devouring a star. (Video) 90006 90003 90002 90009 The idea of ​​an object in space so massive and dense that light could not escape it has been around for centuries. Most famously, black holes were predicted by Einstein's theory of general relativity, which showed that when a massive star dies, it leaves behind a small, dense remnant core. If the core's mass is more than about three times the mass of the Sun, the equations showed, the force of gravity overwhelms all other forces and produces a black hole.90003 90002 90005 A video about black holes. 90006 90003 90002 90009 Scientists can not directly observe black holes with telescopes that detect x-rays, light, or other forms of electromagnetic radiation. We can, however, infer the presence of black holes and study them by detecting their effect on other matter nearby. If a black hole passes through a cloud of interstellar matter, for example, it will draw matter inward in a process known as accretion. A similar process can occur if a normal star passes close to a black hole.In this case, the black hole can tear the star apart as it pulls it toward itself. As the attracted matter accelerates and heats up, it emits x-rays that radiate into space. Recent discoveries offer some tantalizing evidence that black holes have a dramatic influence on the neighborhoods around them - emitting powerful gamma ray bursts, devouring nearby stars, and spurring the growth of new stars in some areas while stalling it in others. 90003 90002 90019 One Star's End is a Black Hole's Beginning 90020 90003 90002 Most black holes form from the remnants of a large star that dies in a supernova explosion.(Smaller stars become dense neutron stars, which are not massive enough to trap light.) If the total mass of the star is large enough (about three times the mass of the Sun), it can be proven theoretically that no force can keep the star from collapsing under the influence of gravity. However, as the star collapses, a strange thing occurs. As the surface of the star nears an imaginary surface called the "event horizon," time on the star slows relative to the time kept by observers far away. When the surface reaches the event horizon, time stands still, and the star can collapse no more - it is a frozen collapsing object.90003 90002 90005 Astronomers have identified a candidate for the smallest-known black hole. (Video) 90006 90003 90002 90009 Even bigger black holes can result from stellar collisions. Soon after its launch in December 2004, NASA's Swift telescope observed the powerful, fleeting flashes of light known as gamma ray bursts. Chandra and NASA's Hubble Space Telescope later collected data from the event's "afterglow," and together the observations led astronomers to conclude that the powerful explosions can result when a black hole and a neutron star collide, producing another black hole.90003 90002 90019 Babies and Giants 90020 90003 90002 Although the basic formation process is understood, one perennial mystery in the science of black holes is that they appear to exist on two radically different size scales. On the one end, there are the countless black holes that are the remnants of massive stars. Peppered throughout the Universe, these "stellar mass" black holes are generally 10 to 24 times as massive as the Sun. Astronomers spot them when another star draws near enough for some of the matter surrounding it to be snared by the black hole's gravity, churning out x-rays in the process.Most stellar black holes, however, lead isolated lives and are impossible to detect. Judging from the number of stars large enough to produce such black holes, however, scientists estimate that there are as many as ten million to a billion such black holes in the Milky Way alone. 90003 90002 On the other end of the size spectrum are the giants known as "supermassive" black holes, which are millions, if not billions, of times as massive as the Sun. Astronomers believe that supermassive black holes lie at the center of virtually all large galaxies, even our own Milky Way.Astronomers can detect them by watching for their effects on nearby stars and gas. 90003 90002 90005 This chart shows the relative masses of super-dense cosmic objects. 90006 90003 90002 90009 Historically, astronomers have long believed that no mid-sized black holes exist. However, recent evidence from Chandra, XMM-Newton and Hubble strengthens the case that mid-size black holes do exist. One possible mechanism for the formation of supermassive black holes involves a chain reaction of collisions of stars in compact star clusters that results in the buildup of extremely massive stars, which then collapse to form intermediate-mass black holes.The star clusters then sink to the center of the galaxy, where the intermediate-mass black holes merge to form a supermassive black hole. 90003 90002 90003 90048 Recent Discoveries 90049 90050 90051 90052 90053 Date 90054 90053 Discovery 90054 90057 90052 90059 June 19, 2020 90060 90059 Black Hole Bounty Captured in the Center of the Milky Way 90060 90057 90052 90059 June 2, 2020 90060 90059 Intense Flash from Milky Way's Black Hole Illuminated Gas Far Outside of Our Galaxy 90060 90057 90052 90059 May 29, 2020 90060 90059 Black Hole Outburst Caught on Video (MAXI J1820 + 070) 90060 90057 90052 90059 May 14, 2020 90060 90059 Why Clouds Form Near Black Holes 90060 90057 90052 90059 April 28, 2020 90060 90059 Spitzer Telescope Reveals the Precise Timing of a Black Hole Dance 90060 90057 90052 90059 April 23, 2020 90060 90059 Star Survives Close Call with a Black Hole (GSN 069) 90060 90057 90052 90059 March 31, 2020 90060 90059 Hubble Finds Best Evidence for Elusive Mid-Sized Black Hole 90060 90057 90052 90059 March 19, 2020 90060 90059 Quasar Tsunamis Rip Across Galaxies 90060 90057 90052 90059 March 19, 2020 90060 90059 Chandra Data Tests "Theory of Everything" 90060 90057 90052 90059 February 27, 2020 90060 90059 Record-Breaking Explosion by Black Hole Spotted (Ophiuchus Galaxy Cluster) 90060 90057 90052 90059 January 20, 2020 90060 90059 XMM-Newton Maps Black Hole Surroundings 90060 90057 90052 90059 January 6, 2020 90060 90059 Famous Black Hole Has Jet Pushing Cosmic Speed ​​Limit (M87) 90060 90057 90052 90059 November 29, 2019 90060 90059 Black Hole or Newborn Stars? 90060 90057 90052 90059 November 26, 2019 90060 90059 Black Hole Nurtures Baby Stars a Million Light Years Away 90060 90057 90052 90059 September 26, 2019 90060 90059 TESS Mission Spots Its First Star-shredding Black Hole 90060 90057 90052 90059 September 25, 2019 90060 90059 Three Black Holes On Collision Course 90060 90057 90052 90059 September 11, 2019 90060 90059 Scientists Discover Black Hole Has Three Hot Meals a Day 90060 90057 90052 90059 August 8, 2019 90060 90059 Cloaked Black Hole Discovered in Early Universe (QSO PSO167-13) 90060 90057 90052 90059 July 24, 2019 90060 90059 How Black Holes Shape Galaxies (PG 1114 + 445) 90060 90057 90052 90059 August 8, 2019 90060 90059 Cloaked Black Hole Discovered in Early Universe (QSO PSO167-13) 90060 90057 90052 90059 July 24, 2019 90060 90059 How Black Holes Shape Galaxies (PG 1114 + 445) 90060 90057 90052 90059 July 11, 2019 90060 90059 Hubble Uncovers Black Hole Disk that Should not Exist 90060 90057 90052 90059 July 3, 2019 90060 90059 X-rays Spot Spinning Black Holes Across Cosmic Sea 90060 90057 90052 90059 June 11, 2019 90060 90059 Magnetic Field May Be Keeping Milky Way's Black Hole Quiet 90060 90057 90052 90059 April 25, 2019 90060 90059 The Giant Galaxy Around the Giant Black Hole 90060 90057 90052 90059 April 10, 2019 90060 90059 Chandra Captures X-rays in Coordination with Event Horizon Telescope 90060 90057 90214 90215 90002 90003 .90000 How Was the First Picture of a Black Hole Taken? 90001 90002 On Wednesday, April 10th, the world was treated to something unprecedented - the first-ever image of a black hole! Specifically, the image captured the Supermassive Black Hole (SMBH) at the center of M87 (aka. Virgo A), a supergiant elliptical galaxy in the Virgo constellation. 90003 90002 Already, this image is being compared to pictures like the "pale blue dot" taken by the 90005 Voyager 1 90006 mission or the "Earthrise" image taken by 90005 Apollo 8 90006.Like these images, the picture of the M87 black hole has captured the imagination of people all around the world. 90003 90002 90011 90012 90003 90002 This accomplishment drew on years of hard work involving astronomers, observatories and scientific institutions from all around the world. As with most accomplishments of this caliber, countless people played a role and deserve credit for making it happen. 90003 90016 90002 But as always, there were a handful of people whose contributions really stand out.In addition, capturing the first-ever image of a black hole depended a lot of specialized technology and scientific methods, which also deserve attention. You might say that his historic accomplishment had a historic buildup! 90003 90019 Those Who Made it Happen: 90020 90002 Since the EHT project released the first image of a black hole, Katherine Bouman has become something of a household name. But just who is this black hole hunter whose work has helped us to look into the face of one of the most mysterious phenomena in the Universe? 90003 90002 90024 RELATED: KATIE BOUMAN: THE BRILLIANT MIND THAT BROUGHT US THE IMAGE OF A BLACK HOLE 90025 90003 90002 Bouman received her Ph.D. Electrical Engineering and Computer Science at the Massachusetts Institute of Technology (MIT) in 2017. Since then, Bouman has worked as a postdoctoral researcher with the Event Horizon Telescope project, where she applied emerging computational methods to push the boundaries of imaging technology. 90003 90029 90005 Bouman and her team posing in front of the photo of M87's SMBH. Source: Facebook / Katie Bouman 90006 90002 Among her contributions is the development of an algorithm which was instrumental in obtaining the image, known as Continuous High-resolution Image Reconstruction using Patch priors (CHIRP).Though CHIRP itself was not used, it inspired the image validation procedures used, which Bouman also played a significant role in developing. 90003 90002 90024 RELATED: IMAGE OF A BLACK HOLE REVEALED FOR FIRST TIME EVER 90025 90003 90002 In addition to verifying and selecting parameters for filtering images taken by the EHT, she also helped the imaging framework that compared the results of different image reconstruction techniques. After the publication of the black hole image, a photo of Bouman smiling in front of a computer screen began to go viral on the internet.90003 90002 After the announcement was made, Bouman posted a photo of her and her and research team (shown above) with the caption: 90003 90002 90005 "I'm so excited that we finally get to share what we have been working on for the past year! The image shown today is the combination of images produced by multiple methods. No one algorithm or person made this image, it required the amazing talent of a team of scientists from around the globe and years of hard work to develop the instrument, data processing, imaging methods, and analysis techniques that were necessary to pull off this seemingly impossible feat.It has been truly an honor, and I am so lucky to have had the opportunity to work with you all. "90006 90003 90002 90002 90048 90012 90003 90003 90002 Bouman and her group are currently analyzing the Event Horizon Telescope's images to learn more about general relativity in a strong gravitational field. For her outstanding work, Bouman was also recently given a position as an assistant professor at Caltech's Computing and Mathematical Science (CMS) department. 90003 90002 Together with Caltech, Bouman will be working to create a laboratory dedicated to experimenting with computational imaging and machine-learning algorithms.This laboratory will be the first of its kind and it is expected to have a significant impact on the study of gravitational singularities and other extreme phenomena. 90003 90002 Then there's Sheperd Doeleman, a senior research fellow at the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), the assistant director for Observation with Harvard's Black Hole Initiative, and the director of the EHT. He is also a principal research scientist at MIT and the assistant director of the MIT Haystack Observatory - one of eight that participated in the EHT.90003 90058 90005 Simulated image by the University of Arizona that shows the turbulent plasma in the extreme environment around a supermassive black hole. Source: 90006 90005 University of Arizona 90006 90005 90006 90002 It was during his time at MIT's Haystack Observatory that Doeleman became one of the first people to see the first hints of the black hole at the center of the Milky Way. And it was because of analyses he conducted to make sense of the data that first revealed it.90066 90003 90002 "That was a moment where there was one person - me - in the world who knew what had just happened," he said. "That was pretty amazing. Because as soon as we knew there was something there, then the gloves came off and we were ready to start building an Earth-sized array to image it." 90003 90002 However, it was in May of 2018 that his team accomplished what many thought was impossible. It began with a conference at the BHI, where students and postdocs shared some of the data they had obtained to Doeleman.As he described the moment of discovery: 90003 90002 90005 "We could see the telltale signatures in these data ... and we were all just looking at it, saying, 'Wow.' I worked until late that night coming up with a model of how big what we were seeing was, and that's when I knew we had something very, very interesting. " 90006 90003 90002 90077 90012 90003 90002 In addition to his extensive experience studying astrophysical phenomena, Doeleman also brought his expertise in Very Long Baseline Interferometry (VLBI).This process, where radio dishes that are separated by vast distances are combined to form a virtual telescope array, was essential to the EHT's efforts. 90003 90002 With his group at MIT, Doeleman helped develop the instrumentation that has allowed astronomers to achieve the greatest possible resolution with VLBI at Earth-based observatories. In the past, he and his team have used this technique to study newly-born stars and the atmospheres of dying stars. 90003 90002 But with the imaging capabilities of EHT, the techniques he helped pioneer can now be used to examine how gravity and general relativity work under the most extreme conditions.This effectively opens a new door to understanding how our Universe works. 90003 90002 "This fulfills our dream to take the first picture of a black hole," said Doeleman. "We now have access to a cosmic laboratory of extreme gravity where we can test Einstein's theory of General Relativity and challenge our fundamental assumptions about space and time . " 90003 90002 90089 90012 90003 90002 Thanks to the role he played in coordinating the project, Doeleman now leads the EHT project. Beyond Bouman and Doeleman, countless scientists and engineers played a vital role in making this milestone happen.In addition, several key facilities and processes were involved. 90003 90019 How the Image was Taken: 90020 90002 The Event Horizon Telescope (EHT) is essentially a planet-sized radio telescope made up of observatories from around the world. At present, the EHT consists of eight sites, which includes the: 90003 90098 90005 The eight observatories (and two that will be joining) that make up the EHT. Source: Event Horizon Telescope 90006 90002 By combining radio antennas and data from several very-long-baseline interferometry (VLBI) stations, the EHT is able to achieve a level of resolution that allows scientists to view the intermediate environment around black holes (aka.the event horizon). 90003 90002 This was no easy task, given the extreme nature of black holes. Originally predicted by Einstein's Theory of General Relativity (GR), black holes are essentially what becomes of particularly massive stars once they reach the end of their lifespan. 90003 90002 At this juncture, when a star has exhausted the last of its hydrogen and helium fuel, it undergoes gravitational collapse. This leads to a massive explosion known as a supernova, where the star blows off its outer layers.Depending on the mass of the star, the result will either be a stellar remnant (i.e. a neutron star or "white dwarf") or a black hole. 90003 90002 In fact, the term "black hole" is a bit of misnomer, since they are actually extremely compressed objects that contain an extraordinary amount of matter within a tiny region. Because of their compact nature, they exert an extremely powerful gravitational force from which nothing - not even light - can escape. 90003 90002 90110 90012 90003 90002 Because of this, scientists were only able to infer the existence of black holes based on the effects they have on their surroundings.These include the way they warp spacetime, causing objects around them to fall into eccentric orbits, and the way they will cause the material to fall into a disk around them which is heated to hundreds of billions of degrees. 90003 90002 As Ramesh Narayan, a Harvard University professor and a leader in EHT theory work, summarized: 90003 90002 90005 "For decades, we have studied how black holes swallow material and power the hearts of galaxies. To finally see a black hole in action, bending its nearby light into a bright ring, is a breathtaking confirmation that supermassive black holes exist and match the appearance expected from our simulations."90006 90003 90002 The project's targets were the two black holes with the largest apparent angular size when viewed from Earth. These are the SMBH located at the center of the Milky Way (Sagittarius A *) and the SMBH at the center of the galaxy known as M87 (Virgo A). 90003 90002 90124 90012 90003 90002 In order to capture an image of these SMBHs, astronomers needed a telescope of unprecedented resolution. This is where the ELT came in. Jonathan Weintroub, who co-coordinates the EHT's Instrument Development Group, explained: 90003 90002 90005 "The resolution of the EHT depends on the separation between the telescopes, termed the baseline, as well as the short millimeter radio wavelengths observed.The finest resolution in the EHT comes from the longest baseline, which for M87 stretches from Hawai'i to Spain. To optimize the long baseline sensitivity, making detections possible, we developed a specialized system which adds together the signals from all available SMA dishes on Maunakea. In this mode, the SMA acts as a single EHT station. " 90006 90003 90002 Through its eight observatories, the EHT recorded millions of gigabytes of data of these two black holes. In total, each telescope took in about one petabyte (1 million gigabytes) of data and recorded it onto several Mark6 units - data recorders that were originally developed at Haystack Observatory.90003 90002 After the observing run ended, researchers at each station packed up the stack of hard drives, which were then flown to the MIT Haystack Observatory in Massachusetts, USA, and the Max Planck Institute for Radio Astronomy, Bonn, Germany. 90003 90137 90005 Aerial view of the MIT Haystack Observatory. Source: MIT Haystack Observatory / Twitter 90006 90002 Once there, the data was cross-correlated and analyzed by 800 computers that are connected through a 40 Gbit / s network.Converting this data into an image though required developing new methods and procedures. 90003 90002 This involved comparing images among four independent groups of scientists using three different imaging methods - which were designed and led by Katie Bouman. In the coming years, the EHT plans to improve the project's angular resolution by adding two more arrays and taking shorter-wavelength observations. 90003 90002 These include the Greenland Telescope, which is jointly operated by the Smithsonian Astrophysical Observatory and the Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics; and IRAM's Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) in southern France.90003 90146 90005 Bouman posing with data collected by the Event Horizon Telescope project. Source: Flora Graham / Twitter 90006 90019 Why Does it Look Like "A Ring of Fire?": 90020 90002 In addition to the existence of black holes, Einstein's Theory of General Relativity predicted that a black hole would cast a circular shadow upon the glowing disk of material that surrounds it. Essentially, the region within the black holes event horizon would appear as total blackness, in stark contrast to the very bright disk beyond it.90003 90002 The chair of the EHT Science Council, Heino Falcke of Radboud University in the Netherlands, explained all that as follows: 90003 90002 90005 "If immersed in a bright region, like a disc of glowing gas, we expect a black hole to create a dark region similar to a shadow - something predicted by Einstein's general relativity that we've never seen before, This shadow, caused by the gravitational bending and capture of light by the event horizon, reveals a lot about the nature of these fascinating objects and allowed us to measure the enormous mass of M87's black hole."90006 90003 90002 Interestingly enough, this appearance was also accurately predicted by the special effects team behind the movie Interstellar. To add a sense of realism to the film, theoretical physicist and Nobel laureate Kip Thorne developed a new set of equations to guide the special effects team's rendering software. 90003 90002 90162 90012 90003 90002 To do this, Thorne relied on known scientific principles. These included the fact that the black hole formed from a massive stellar remnant, which would mean that it would be spinning at near the speed of light.This would also mean that the black hole would have a bright accretion disk, which would appear to curve over the top and under the bottom simultaneously. 90003 90002 90024 RELATED: THE "INTERSTELLAR" CONTRIBUTIONS OF KIP THORNE 90025 90003 90002 To simulate the accretion disk, the special effects team generated a flat, multicolored ring and positioned it around their spinning black hole. The end result showed that the warping effect it had on space-time would also warp the accretion disk - creating the illusion of a halo.90003 90002 Comparing the image of M87's SMBH to the rendering from Interstellar (see below), one can see some startling similarities. These include the central, shadowy regions and the bright accretion disks surrounding them, which lend them a sort of "ring of fire" or "eye of Sauron" kind of appearance. 90003 90175 90005 See the resemblance? Credit: EHT (top) / Paramount Pictures 90006 90019 Implications for Astrophysics: 90020 90002 As many astronomers have explained since the image's release, the ability to photograph a black hole is opening up a new era in astrophysics.Much like the first-ever detections of gravitational waves, this accomplishment effectively allows scientists to detect and visualize phenomena that were either theoretical or could only be studied indirectly. 90003 90002 These include more radical tests of Einstein's Theory of General Relativity. While many tests have been conducted over the past century to verify the effects gravity has on spacetime, the vast majority of these have involved planetary-sized or stellar-sized objects. 90003 90002 With the ability to visualize SMBHs, the scientists will be able to test the predictions of Einstein's field equations in the most extreme environment possible.In the past, limited tests have been conducted by observing the behavior of S2, one of the stars that orbit Sagittarius A * at the center of our galaxy. 90003 90002 But with the ability to visualize Sagittarius A * 's accretion disk and shadow, astronomers expect to be able to learn so much more. Scientists also expect to learn more about how matter forms disks around black holes and accretes onto them, which is what allows them to grow. 90003 90002 90189 90012 90003 90002 In short, scientists are still not sure how material makes the transition from the rapidly spinning disk to the event horizon.While it is understood that over time, matter in the disk will lose energy and eventually fall in, scientists are uncertain what causes this loss of energy. 90003 90002 Because the matter in a disk is so dilute, traditional friction should not be possible, which suggests that some unknown force might be at play. With the ability to study two SMBHs and their event horizons, scientists will finally be able to test different theories. 90003 90002 In addition, scientists hope to learn why Sagittarius A * is relatively dim compared to SMBHs in other galaxies.In fact, some SMBHs generate so much energy from their rapidly spinning disks that their central region (their galactic nuclei) outshine the stars in their galactic disks many times over. 90003 90002 In fact, the presence of an Active Galactic Nucleus (AGN) is how astronomers have been able to determine that most galaxies have an SMBH at their center. By improving their understanding of the mechanisms that power debris disks and cause SMBHs to grow, astronomers hope to be able to answer this question at last.90003 90002 **** 90003 90002 All told, roughly 200 astronomers from around the world played a vital role in capturing the first image of a black hole. Bouman described the EHT Team as a "melting pot of astronomers, physicists, mathematicians, and engineers, and that's what it took to achieve something once thought impossible." 90003 90002 With additional facilities being added to the EHT network - not to mention regular improvements in terms of computation, imaging and information sharing - scientists expected to be able to see more black holes soon.The insight this will allow into our Universe is sure to be nothing short of mind-blowing! 90003 90002 90024 90005 Further Reading: 90006 90025 90003 .